蟋蟀的弹跳运动及其仿生分析.docx

1、蟋蟀的弹跳运动及其仿生分析硕士学位论文开题报告及论文工作计划书课题名称 蟋蟀的弹跳运动及其仿牛分析学 号 1000491 姓 名 专 业 学 院机械工程与自动化学院导 师 副导师 选题时间 2011年6月 日东北大学研究生院年 月 日填表说明1、本表一、二、三、四、五项在导师指导下如实填写。2、学生在通过开题后一周内将该材料交到所在学院、 研究所。3、学生入学后第三学期应完成论文开题报告，按有关规定， 没有完成开题报告的学生不能申请论文答辩。、立论依据课题来源、选题依据和背景情况、课题研究目的、理论意义和实际应用价值1.课题来源、选题依据和背景情况本课题为自选课题。仿生学(Bionics,Bi

2、omimetics)是指模拟生物系统的原理来建造技术系统，或使人造技术系 统具有类似于生物系统的科学，即研究、模拟生命系统功能的科学，是把生物学和其它技术 结合起来的一门综合性的边缘科学。它的出现，把生物学、生理学、神经学及计算机、通讯 等多种工程技术科学紧紧联系在一起，成为一门具有明显交叉学科特色的科学技术。仿生学 为科学技术创新提供了新思路、新原理和新方法。当代机器人研究的领域已经从结构化的作业向航空航天、星际探索、军事侦察攻击、水 下地下管道、疾病检查治疗、抢险救灾以及反恐活动等非结构化的自主作业方面发展。未来 的机器人将在人类不能或难以到达的已知或未知环境里为人类工作。移动性能是未来机

3、器人 在很多应用场合的关键能力，为完成任务，常常要求机器人能够渗透到人员无法进入的禁区 进行侦查、探测、攻击、干扰等行动，需要移动能力给予保证。目前地面移动机器人的运动 方式主要有轮式、履带式，并且它们在军事和星际探索上已经得到了广泛的应用，但轮式和 履带式机器人却有越障能力差和能耗大的缺点。从十九世纪六七十年代以来，人们把目光对准了生物界，在35亿年物竞天择的进化过程 中，生物体发展了灵巧的运动机构和机敏的运动模式，这成为机器人发展取之不尽的知识源 泉。科学家们向生物学习，创造出了众多高性能的仿生机器人。所谓仿生机器人，是指模仿 生物、从事生物特点工作的机器人。目前的仿生机器人大多数处于实验

4、样机状态，其主要运 动方式为爬行或步行，如蛇形机器人、机器猫、机器狗等。步行或爬行机器人自由度多，控 制复杂，运动缓慢，而且遇到障碍物同样无能为力。这就促使研究人员对跳跃机器人进行不 断深入的研究，使其具有较强的运动能力及生存能力。我国在仿生学方面的研究也有了很大的进步，发现某些土壤动物如蜣螂、蚯蚓、穿山甲 等体表触土部位具有非光滑结构，具有减粘降阻功能。生物减阻有多种形式，包括生物非光滑 减阻、生物柔性减阻及生物润滑减阻等，如吉林大学已开展了鳞片形、凸包形、波纹形、凹 坑形的非光滑表面减阻研究和设计。土壤动物由于体表的不粘土特性而在我国地面机械领域 受到重视，已成为农业机械和工程机械等地面机

5、械触土部件防粘减阻表面研究与设计的仿生 学基础。2.课题研究目的本课题对仿蟋蟀机器人跳跃运动性能的研究，使微型弹跳机器人从传统的笨重的气动驱 动转换为灵活的驱动装置驱动，重量轻，体积小，便于扑翼飞行器在飞行的起动阶段有一定 的起飞动力更有助于其自主起飞。此外，将仿生弹跳机器人与微型扑翼飞行器相结合，是将 人类像鸟类和昆虫一样自由的翱翔在天空的梦想进一步推进，也有助于未来人类探索宇宙和 实现对突发地质灾害的救助。3.理论意义和实际应用价值人类一直梦想能够像鸟儿一样飞行， 像蚱蜢一样弹跳和飞行，但是由于理论和制造技术、 制造工艺的限制，人类所制造出的仿生机器人远没有生物结构本身那样精巧和灵活，例如

6、鸟 类可以急飞急停，几乎没有转弯半径，并且能利用自身的有限能量进行长途迁徙，有些昆虫 还可以进行空中悬停，这些是人类设计的普通机械所不能达到的。当前，微纳米制造技术、 微电子学、传感技术、驱动技术、智能控制技术、微传感器技术等的发展为仿生微机械的研 究提供了必要的保障。跳跃机器人在地面上的活动能力与其他运动方式相比有很大的优势， 特别是受生物跳跃运动的启发，仿生跳跃机器人更是有着常规机器人所不具备的运动特性， 其强大的越障能力，极快的跳跃速度、强大的地面适应能力、广阔的移动范围等都为它在星 际探索、反恐、森林火灾及灾难搜救、军事、灾害应对以及仿生学的发展提供了良好的发展 前景。在自然生物界中，

7、很多的昆虫、鸟类和兽类能够跳跃：如跳蚤、蝗虫、蟋蟀以及青蛙、 袋鼠等。这些自然界中的实例对弹跳机器人的研究无疑具有巨大的启示作用。因此，仿造类 似生物的跳跃原理来实现机器人的弹跳，是弹跳机器人的一个很重要的发展方向。仿生弹跳机器人机构避开了连续性跳跃式机器人复杂的运动学分析与控制过程，具有单 次跳跃高度大、实用性强、控制简单等特点，在目前连续性跳跃式机器人迟迟不能步入实用 的现实下，此间歇性跳跃式机器人的构建对跳跃式机器人的机构设计工作有参照意义。跳跃运动方式相对于移动运动方式有自己自身的特点，跳跃式机器人相对于自主式移动 机器人具有体积小、跃障能力强等特点，适合军事、探险、救灾、星球探索等场

8、合的应用。 构建跳跃式机器人对提高自主运动机器人的运动能力、应用范围有重要的意义。特别是间歇 性跳跃式机器人，具有构造简单、控制简单、应用范围广等特点。本文以仿蟋蟀机器人为研究对象，在机构设计与动力学分析等方面作了一定探索与研究 工作，许多分析过程与研究结论对于连续性跳跃式机器人的研究也有参考意义。论文的研究 具有一定的理论意义和实际应用价值。带有扭簧、齿轮传动机构的弹跳机构的设计以及简单 的形状记忆合金弹簧作为锁紧与触发装置的跳跃机器人的机构设计都对以后类似跳跃模型的 动力学分析有参照意义。对连续性跳跃运动、间歇性跳跃运动，连续性跳跃式机器人、间歇 性跳跃式机器人的分类有利于更好的理解跳跃运

9、动与跳跃式机器人。诸多实例的介绍与分析 弹跳机器人的储能与释放机构对跳跃机构的机构设计研究有借鉴意义。、文献综述国内外研究现状、发展动态；所阅文献的查阅范围及手段1.国内外研究现状根据仿生弹跳机器人别于其他移动机器人的特点，即仿生弹跳机器人能够轻而易举地越 过数倍于自身尺寸的障碍物，更加适合复杂地形和不可预测的环境。 国内外许多科学家在仿生弹跳机器人的研究领域已经做了大量的工作并取得了初步的研究成果，制造了仿蛙机器 人、仿袋鼠机器人、仿蟋蟀机器人等等。1.1国外研究现状1.1.1 Raibert单足跳跃机器人最早的弹跳机器人由Marc Raibert于1980年在麻省理工学院机器人实验室研制成

10、功， 该机器人基本模型如图1所示，属于连续性跳跃机构。机构有一个x方向的平移自由度以及 足部和躯体之间的旋转自由度B。机器人的运动被限制在一个平面内， 腿部装有气缸，作用 相当于弹簧，因此它在地面上的运动类似于一个带弹簧的倒立摆。其控制器分为三个独立的 部分，分别控制高度、向前速度和姿态。三者之间的动力学耦合被当作扰动。在参考文献中 有这方面的概述，很多学者也从各个角度对类似机构进行了数学分析与仿真。 Raibert分析了单足跳跃机器人的起跳姿态控制以及落地时的足部定位算法问题， 目前已取得一些理论研究成果。单足跳跃机器人在实验室中已实现自主稳定跳跃、 越障等功能，并可完成翻跟斗等动作，很多学

11、者从各个角度对类似机构进行了数学分析与仿真。随后Raibert又研制了二维和三维弹跳机构腿部结构。二维弹跳机腿部结构类似于袋鼠 的后腿（如图2所示），共四个关节，分别是尾关节、髋关节、膝关节及踝关节。四个液压 缸控制系统弹跳及平衡。液压缸 1在每次弹跳落地的时段拉伸弹簧，补充能量损耗； 液压缸2调整机体与腿部之间的角度，液压缸 3与4并排，3负责调整平衡尾与机体间的角 度，4调整质心位置，两者共同维持机构平衡，侧向通过连接在地面上的杆件保持稳定。三维机构有一条长度可变的金属腿，上部携带各种传感器以及控制板，腿部与机体间有 两个自由度，腿部长度由压缩空气控制。通过规划控制单腿每次弹跳落地放在适当

12、位置， 在 足部触地期间迅速向气缸充气，压缩气体推动活塞使机构弹跳，整个机体高度为 1.1m,重量为17.3kg (如图3所示)。向前弹跳时速度可达2.2m/s。1.1.2 NASA三代弹跳机器人为解决星际探索中漫游车在崎岖的地形地貌下活动范围有限的问题， 美国国家航空宇航局(NASA)贲气动力实验室(JPL)与加利福尼亚技术学院联合研制了三代弹跳机器人。第一代 弹跳机器人(图4(a)靠滚动和弹跳来实现运动，弹跳运动是由线性的弹簧装置实现的， 第二代的弹跳机(图4(b)形状有点象青蛙，重1.3kg，有一条腿，装有弹弓，一跃达1.8m。 一个驱动电机由太阳能电池供电，自带嵌入式控制系统，配有微型

13、摄象机及各种传感器用于 采集外界信息，最大跃高度可达1.8m，在火星上预计可达56m它可自行前进及修正路线， 适合执行行星、彗星及小行星的探索任务。在 NASA的第三代弹跳机器人(图4( c)中实现了起跳角度和起跳方向的动态调整， 还实现了计算机的实时控制和无线通讯。 第二代和第三代弹跳机器人具有相同的储能方式，图 4( d)是它们的蓄能装图4 NASA的三代弹跳机器人置原理图。机器人的腿部在y方向压缩和伸展，该菱形机构把x方向弹簧的线性伸缩转化成y方向的非线性伸展和压缩，可以降低机构提前起跳的可能性和最大效率地利用弹簧内储蓄 的能量。实验表明，这种蓄能装置优于第一代弹跳机器人采用的线性弹簧弹

14、跳装置， 能量利用率从20勉高到了 70%1.1.3两种弓形单足跳跃机构卡耐基梅隆大学与瑞士联邦技术学院的 Jea n.Christophe等人于1998年联合研制了两种弓形单足跳跃机构，都属于机械式、连续性弹跳机构，如图 5所示。两种机构都用弹性杆储能，机构起跳后，紧缩绳索开始拉紧弹性杆，落地与地面撞击时，绳索松开，解除弹性杆 约束，推动机构再次弹起。a弓形弹跳机模型 b 弓形弹跳机机构图5 弓形弹跳机1.1.4两种混合型弹跳机器人模型钟摆型与弹射型结合，用关节臂摆动控制弹簧伸缩，达到弹跳目的。这种机构可通过控 制关节臂的摆动周期与弹簧的振动相配合， 逐步积累能量，增加弹跳高度。类似于人在蹦

15、极 时的动作，由低到高递增，不同的是弹簧固定在机构中一起跳跃。 日本东北大学研制的一种弹跳机构，如图7所示。其中有三个质量球，M1与M2绕M3转动，M3沿垂直方向运动。两 个电机分别控制两个转动的质量球间接控制 M3压缩与拉伸弹簧，从而使弹簧由小到大振动 直至弹跳。瑞士苏黎世大学研制的弹跳机器人， 如图8所示。足部采用四根弹簧支撑，上身为一倒 “ T”形通过旋转关节1 （腰部）与足部相连，作为机构的钟摆部分。横梁 1上固定有质量球m3以增大钟摆转动惯量，横梁1、2通过关节2相连（肩部）。控制B使上身前后摆动可 以驱动机构弹跳，同时控制肩部角度B产生侧向力就可以改变弹跳方向。这一机构2可以完 成

16、行走、跳跃并自我保持稳定。混合型弹跳其运动是连续的，只要关节臂与弹簧协调动作， 可以不间歇弹跳。但机构从静止到跃过障碍物前需要数次弹跳来积累能量， 以达到预定弹跳高度，控制过程中必须用传感器能感知跳起高度、何时达到最高点、何时落地等控制关节臂所必须的变量。因而对机构实时控制要求较高1.1.5多自由度跳跃机器人日本的Keisuke.Arikawa,Tsutomu.Mita 对一种多自由度跳跃机器人的设计和控制问题进行了研究76，如图9所示。机器人具有4个转动自由度，由5连杆组成。其跳跃动作包括 正常向前跳跃、翻筋斗、在楼梯上跳跃。研究者给出了一组实际设计参数和跳跃运动，常态 跳跃和翻筋斗的二种类

17、型的仿真结果。1.1.6机械蟋蟀和大多数直翅目昆虫一样，蟋蟀运动灵活，不仅通过行走，而且可通过跳跃实现快速机 动或者逃脱捕食者。跳跃使蟋蟀可以成功地在不同地形间机动，如穿越小水溏或陡峭的障碍 物，或者快速穿越某一区域等。值得一提的是，在众多具有跳跃能力的昆虫中，蟋蟀非常具 有代表性。研究表明，和前腿、中腿相比，蟋蟀的后腿的尺寸要大得多，因此蟋蟀的跳跃以 及防御捕食者所使用的踢腿运动都是通过后腿的运动实现的。 1995年，Reinhold Hustert等人观察了蟋蟀的防御性踢腿运动，指出蟋蟀的踢腿运动一般从准备到完成仅需要 60100ms而蝗虫则需要5002000ms和跳跃运动一样，6蟋蟀踢腿

18、主要是由其后腿的腿节- 胫节(femoro-tibial )关节，或者称为膝关节的快速伸展而实现的。从生物力学的角度来 说，蟋蟀的腿节-胫节关节(膝关节)专门用于其踢腿和跳跃，这主要是通过嵌入膝关节中的肌腱的特有的杠杆作用来实现的。剑桥大学的Malcolm Burrows等人对草丛蟋蟀的跳跃运 动和踢腿运动进行了观察和研究。研究发现，蟋蟀在跳跃过程中具有加速快，能耗低，跳跃 距离远等特点。如体重为 600mg的雌性草丛蟋蟀(Pholidoptera griseoaptera )能在30ms 内使其自身加速到2.1m/s，动能为1350卩J。同时，其躯体的加速度为114m/s-2，并且其 后腿胫

19、节在30ms内快速充分地伸展开来，腿节-胫节关节(膝关节)的角速度为13500deg/s， 可见蟋蟀跳跃时加速很快。达到这些性能需要的最小动力输出为 40mVV可见能量消耗很少。研究还表明，蟋蟀的后腿的长度是其身长的1.5倍，是前腿的4倍多。这一特点使后腿成为 蟋蟀实现跳跃运动的主要动力来源： 在跳跃着地阶段，后腿中的肌肉、肌腱等弹性储能元件储存跳跃所需能量并在起跳时快速释放； 与此同时，蟋蟀起跳时后腿的肌肉又产生一部分能量，使其获得更大的起跳速度和跃远度。(a)仿蟋蟀机器人照片 (b)仿蟋蟀微型机器人概念设计模型图1-4仿蟋蟀微型机器人Fig.1-4Bionic Cricket Micror

20、obot国外的研究也处于起步阶段，其中 Case Wester n Reverse Un iversity 的研究人员研制出由人工筋驱动的机械蟋蟀，如图1-4所示。机械蟋蟀的腿部是有高分子管状纤维编织成的 人工筋，纤维内部通过微型空气压缩机充气。 微控制器控制腿部微型阀门及空气压缩机， 使人工筋作出绷紧与收缩动作，驱动机械蟋蟀行走与弹跳。目前研制的弹跳蟋蟀长 70cm研究人员正在进行机构微型化工作。2.国内研究现状有关仿蟋蟀弹跳机器人方面，国内还没有相关的研究。对于这一领域的研究内容主要集 中于运动学、动力学、速度和力的传递性能以及其他有关仿生弹跳机器人的运动性能方面的 研究。目前比较具有代表

21、性的是有关仿蛙弹跳机器人、仿袋鼠弹跳机器人方面的相关研究， 以及仿蝗虫跳跃机器人的研究等等。3.发展动态跳跃式机器人中有各种功能的机构繁多，诸如，蓄能机构、锁定机构、释放机构、缓冲 机构、平衡机构、姿态恢复机构等。设计有效的机构，对于提高跳跃式机器人的能量利用率， 增强运动灵活性，具有重要意义。在很多应用场合都要求跳跃式机器人体积尽量微小。在星 际探索中，火箭的有效载重有限，跳跃式机器人微型化有利于火箭携带更多个体。而在军事 侦探中，则更希望跳跃式机器人能够隐蔽的执行任务， 这就要求跳跃式机器人体积尽量微小， 外形仿造昆虫，尽量不引起注意。随着 MEM技术的快速发展，跳跃式机器人的微型化应用

22、也成为可能，简言之，弹跳机器人的发展正在向着微型化、仿生化、智能化方向发展。4.所阅文献的查阅范围及手段通过在中国学术期刊网站， 重庆维普全文数据库和IEL (IEEE/IEE Electronic Library美国电气电子工程师学会和英国电气工程师学会出版)等全文期刊数据库中检索 “仿生机器人”等关键字检索出相关资料，在XX、 Google等搜索引擎上对关键字进行搜索，并且查找阅读相关书籍。主要参考文献：1任露泉，徐晓波，陈秉聪等.典型土壤动物爪趾形态的初步分析J.农业机械学 报,1990(2):44 49.2吉尔W.R.,范德伯奇GE.耕作和牵引土壤动力学M.北京冲国农业机械出版社,19

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