上海交通大学：《力学仿生——启示与探索》课程教学资源（论文资料）陆地仿生_2013-仿青蛙跳跃机器人稳定跳跃的研究.pdf_大学文库

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要仿生跳跃机器人在越障和运动的敏捷性上具有突出优势，但由于可控时间短，腾空阶段具有不确定性，跳跃的稳定性对于其运动性能至关重要。姿态稳定性影响机器人能否安全着陆和连续运动，轨迹稳定决定能否到达预设的地点。本文以仿青蛙跳跃机器人为研究对象，对后足起跳、前足着地的间歇式跳跃机器人进行稳定性的研究。机器人的跳跃稳定需要可靠的机械和控制系统的支持，并具有感知自身姿态和外部环境的能力。本文通过分析己有机器人样机在结构和性能上的不足，对起跳机构和驱动系统提出改进方案，建立多传感器平台以提高机器感知姿态的能力。结合青蛙跳跃过程的特点，针对跳跃机器人的轨迹和姿态的获取方法进行研究，利用加速度和角速度数据，求取机器人各阶段运动姿态，提出起跳速度和机器人运动轨迹的获取方法，对机器人四肢末端相对于质心位置进行求解以进行碰撞预测。现阶段仿生机器人的稳定性研究方法，多从几何结构出发，辅以能量和力的分析，进而提出稳定判据。本文通过对实际青蛙跳跃模型的观察，归纳影响跳跃稳定性的因素，分析造成跳跃失败的原因。从起跳过程角度和摩擦力的影响，腾空阶段收腿的作用和落地后震荡情况等因素分析机器人的稳定性。运用零力矩点法和能量稳定边界法提出了稳定着陆的判据，并对机器人跳跃的稳定性过程进行综合探讨。设计基于多传感器的机器人控制系统，构建无线通信指令集，编写上位机人机交互程序和DSP机器人控制程序，建立实验平台。对不同情况下机器人的跳跃进行实验，研究起跳角、地面摩擦等参数对稳定跳跃的影响，验证稳定性判别条件。关键词：跳跃机器人：仿生蛙；稳定跳跃：运动控制

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - I - 摘要仿生跳跃机器人在越障和运动的敏捷性上具有突出优势，但由于可控时间短，腾空阶段具有不确定性，跳跃的稳定性对于其运动性能至关重要。姿态稳定性影响机器人能否安全着陆和连续运动，轨迹稳定决定能否到达预设的地点。本文以仿青蛙跳跃机器人为研究对象，对后足起跳、前足着地的间歇式跳跃机器人进行稳定性的研究。机器人的跳跃稳定需要可靠的机械和控制系统的支持，并具有感知自身姿态和外部环境的能力。本文通过分析已有机器人样机在结构和性能上的不足，对起跳机构和驱动系统提出改进方案，建立多传感器平台以提高机器感知姿态的能力。结合青蛙跳跃过程的特点，针对跳跃机器人的轨迹和姿态的获取方法进行研究，利用加速度和角速度数据，求取机器人各阶段运动姿态，提出起跳速度和机器人运动轨迹的获取方法，对机器人四肢末端相对于质心位置进行求解以进行碰撞预测。现阶段仿生机器人的稳定性研究方法，多从几何结构出发，辅以能量和力的分析，进而提出稳定判据。本文通过对实际青蛙跳跃模型的观察，归纳影响跳跃稳定性的因素，分析造成跳跃失败的原因。从起跳过程角度和摩擦力的影响，腾空阶段收腿的作用和落地后震荡情况等因素分析机器人的稳定性。运用零力矩点法和能量稳定边界法提出了稳定着陆的判据，并对机器人跳跃的稳定性过程进行综合探讨。设计基于多传感器的机器人控制系统，构建无线通信指令集，编写上位机人机交互程序和 DSP 机器人控制程序，建立实验平台。对不同情况下机器人的跳跃进行实验，研究起跳角、地面摩擦等参数对稳定跳跃的影响，验证稳定性判别条件。关键词: 跳跃机器人；仿生蛙；稳定跳跃；运动控制

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 Abstract Biomimetic jumping robot has outstanding advantages when facing obstacles and agile movement.As a result of the uncertainty of flying phase and with short- time controllable,the stability of jump performance is critical for a movement. Posture stability of the robot decides whether a safe landing and continuous movement is performed,while trajectory stability determines how accurate a landing location is.In this paper,a frog-inspired biomimetic jumping robot,which uses leg to take-off and arm landing,is studied as an example to solve the stable landing problem. Jumping stability of the robot requires a reliable mechanical and control system,and the capability to perceive itself and the environment.Based on the limitations of the existing robot,some suggestions to improve the structure and performance are proposed.A multi-sensor platform is also built to enhance the ability of collecting information. With the characteristics of real frog jump,methods to obtain the trajectory and posture of jumping robot are studied.The posture of a specified moment can be calculated with the equations of kinemics transform using the data from accelerometer and gyroscopes.The position of the ends of legs can be calculated for prediction of the impact. Methods to study the stability of biomimetic robot usually start from the geometric structure,supplemented by energy and force analysis to build the stability criterion.Based on the observation of actual frog hopping model,this paper summarized the factors affecting the stability of jump and reasons resulting failure.From the take-off angle and friction factor of the ground,movement of legs during flight phase and the impact when landing,stability of robot is analyzed. ZMP method and energy analysis are used for the stability criterion when landing. A control system based on multi-sensor with wireless communication is built. We establish a platform for experimental including a control interface on PC and embedded program in DSP.Jumping processes with different factors such as friction factor and initial angle to verify the stability criterion conditions are experimentized. Keywords jumping robot,frog-inspired robot,stable jumping,movement control -I-

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - II - Abstract Biomimetic jumping robot has outstanding advantages when facing obstacles and agile movement. As a result of the uncertainty of flying phase and with shorttime controllable, the stability of jump performance is critical for a movement. Posture stability of the robot decides whether a safe landing and continuous movement is performed, while trajectory stability determines how accurate a landing location is. In this paper, a frog-inspired biomimetic jumping robot, which uses leg to take-off and arm landing, is studied as an example to solve the stable landing problem. Jumping stability of the robot requires a reliable mechanical and control system, and the capability to perceive itself and the environment. Based on the limitations of the existing robot, some suggestions to improve the structure and performance are proposed. A multi-sensor platform is also built to enhance the ability of collecting information. With the characteristics of real frog jump, methods to obtain the trajectory and posture of jumping robot are studied. The posture of a specified moment can be calculated with the equations of kinemics transform using the data from accelerometer and gyroscopes. The position of the ends of legs can be calculated for prediction of the impact. Methods to study the stability of biomimetic robot usually start from the geometric structure, supplemented by energy and force analysis to build the stability criterion. Based on the observation of actual frog hopping model, this paper summarized the factors affecting the stability of jump and reasons resulting failure. From the take-off angle and friction factor of the ground, movement of legs during flight phase and the impact when landing, stability of robot is analyzed. ZMP method and energy analysis are used for the stability criterion when landing. A control system based on multi-sensor with wireless communication is built. We establish a platform for experimental including a control interface on PC and embedded program in DSP. Jumping processes with different factors such as friction factor and initial angle to verify the stability criterion conditions are experimentized. Keywords jumping robot, frog-inspired robot, stable jumping, movement control

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - III - 目录摘要......................................................................................................................I Abstract .................................................................................................................. II 第 1 章绪论 ........................................................................................................... 1 1.1 课题研究的目的和意义 ............................................................................... 1 1.2 仿生跳跃机器人研究现状 ........................................................................... 2 1.2.1 国外仿生跳跃机器人研究现状............................................................. 2 1.2.2 国内仿生跳跃机器人研究现状............................................................. 5 1.3 机器人稳定性研究综述 ............................................................................... 7 1.3.1 机器人稳定性研究方法 ........................................................................ 7 1.3.2 机器人稳定性研究现状 ........................................................................ 9 1.4 主要研究内容 ............................................................................................ 10 第 2 章仿青蛙跳跃机器人样机改进 .................................................................. 11 2.1 引言............................................................................................................ 11 2.2 仿青蛙跳跃机器人简介 ............................................................................. 11 2.3 跳跃机构的改进......................................................................................... 12 2.3.1 多连杆腿准双稳态机构 ...................................................................... 12 2.3.2 牵引钢丝冗余长度消除 ...................................................................... 12 2.3.3 双足起跳同步性的改进 ...................................................................... 13 2.4 传动与驱动性能改进................................................................................. 14 2.4.1 传动机构与关节密度 .......................................................................... 14 2.4.2 仿生柔性与减震机构 .......................................................................... 14 2.4.3 驱动电机工作能力匹配 ...................................................................... 15 2.5 多传感器平台的构建................................................................................. 15 2.5.1 齿轮转角传感器.................................................................................. 16 2.5.2 机器人姿态传感器 .............................................................................. 16 2.5.3 足部压力传感器.................................................................................. 18 2.6 本章小结 .................................................................................................... 19 第 3 章机器人跳跃运动参数的获取 .................................................................. 20 3.1 引言............................................................................................................ 20

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - IV - 3.2 青蛙跳跃的运动特性................................................................................. 20 3.3 机器人运动姿态的获取 ............................................................................. 21 3.3.1 加速度和姿态角的获取 ...................................................................... 21 3.3.2 角速度的获取...................................................................................... 22 3.4 跳跃运动参数的获取................................................................................. 23 3.4.1 起跳初速度的获取 .............................................................................. 23 3.4.2 质心运动轨迹的获取 .......................................................................... 24 3.5 四肢末端位置的求解................................................................................. 25 3.5.1 前肢末端位置的求解 .......................................................................... 26 3.5.2 后肢末端位置的求解 .......................................................................... 26 3.6 本章小结 .................................................................................................... 27 第 4 章机器人跳跃稳定性理论研究 .................................................................. 28 4.1 引言............................................................................................................ 28 4.2 跳跃机器人稳定性概述 ............................................................................. 28 4.2.1 跳跃稳定性的定义 .............................................................................. 28 4.2.2 稳定性的影响因素 .............................................................................. 29 4.3 起跳阶段的稳定性..................................................................................... 29 4.3.1 起跳模型的建立.................................................................................. 30 4.3.2 模型起跳的前提.................................................................................. 32 4.3.3 地面摩擦对起跳稳定的影响............................................................... 32 4.4 腾空阶段的稳定性..................................................................................... 34 4.4.1 机器人前足和后足着地的条件........................................................... 34 4.4.2 腾空阶段的模型假设 .......................................................................... 35 4.4.3 肢体运动对姿态的影响 ...................................................................... 35 4.5 着陆阶段的稳定性..................................................................................... 37 4.5.1 着陆的弹簧阻尼模型 .......................................................................... 37 4.5.2 落地后是否弹起的判别 ...................................................................... 38 4.5.3 基于几何方法的着陆稳定判据........................................................... 38 4.5.4 基于能量方法的着陆稳定判据........................................................... 41 4.6 稳定性条件的综合..................................................................................... 43 4.7 本章小结 .................................................................................................... 43 第 5 章稳定跳跃控制系统和实验 ...................................................................... 44 5.1 引言............................................................................................................ 44

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章绪论 11课题研究的目的和意义如今机器人领域的研究己经逐渐从完成固定工作的工业机器人，扩展为微小灵活、柔性、稳定、智能的新型机器人当中来。机器人的自主工作能力逐渐增强，越来越多地替代人类从事危险和未知环境下的工作。与之相适应的，要求机器人具有更强的越障能力和多种地形的适应能力。轮式和履带式是早期机器人采用的主要移动方式，随着应用范围的扩大，足式机器人也渐渐登上历史的舞台。与轮式和履带式机器人相比，足式机器人已经能够在凸凹不平的地表上运动。然而在实际环境条件下，很多障碍物尺寸远远大于机器人本身，传统的运动方式己经不能满足机器人的运动需要，而跳跃运动却能够很好地解决这个问题。由于跳跃运动存在腾空阶段，允许地面环境不连续，使得机器人能够跨过沟渠，甚至是几十倍于自身高度的障碍。跳跃运动与轮式或腿式机器人的结合，更能够大幅度提高运动能力。弹跳具有爆发性的特点，有助于机器人应对突发情况。另外在外星探测中，月球等微重力的星球表面上，弹跳运动相比于轮式运动能够更加节省能量山。生物多样的运动特性为移动机器人的设计提供了许多灵感。经过数百万年的进化，动物身体的结构和运动方式都具有了相当高的合理性、智能型。同时不断进化的生物还造就出了灵巧的运动机构和机敏的运动模式，成为仿生机器人研究取之不尽的模型样本库。从仿生角度设计跳跃机器人，有青蛙、蝗虫、袋鼠等原型供选择。青蛙作为典型的两栖纲动物，其运动方式很有代表性。它稳定的起跳与着陆、轻巧的身体结构和敏捷的动作都具有很大的研究价值。同时，青蛙还具有水陆两栖的特性，今后还可以面向水中的运动，设计出两栖仿青蛙机器人。为了能够用于非结构化的未知环境下的工作，机器人系统需要具有相当强的稳定性。跳跃机器人在越障能力强的同时，也具有易于倾翻，对起跳和着陆地表要求较高，腾空阶段不易控制等问题。因此，为了达到跳跃运动的平稳性、抗倾覆和抗翻转能力，对机器人跳跃过程稳定性的研究非常必要。仿青蛙机器人是一种很具有代表性的间歇式跳跃机器人，运动方式的特点在于四肢都参与跳跃过程，后肢起跳前肢着陆。本论文作为“面向两栖应用的青蛙仿生机器人运动机理研究”国家自然科学基金(51005052)的一部分研究内容，对仿青蛙机器人的研究进展有着重要意义

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 1 - 第1章绪论 1.1 课题研究的目的和意义如今机器人领域的研究已经逐渐从完成固定工作的工业机器人，扩展为微小灵活、柔性、稳定、智能的新型机器人当中来。机器人的自主工作能力逐渐增强，越来越多地替代人类从事危险和未知环境下的工作。与之相适应的，要求机器人具有更强的越障能力和多种地形的适应能力。轮式和履带式是早期机器人采用的主要移动方式，随着应用范围的扩大，足式机器人也渐渐登上历史的舞台。与轮式和履带式机器人相比，足式机器人已经能够在凸凹不平的地表上运动。然而在实际环境条件下，很多障碍物尺寸远远大于机器人本身，传统的运动方式已经不能满足机器人的运动需要，而跳跃运动却能够很好地解决这个问题。由于跳跃运动存在腾空阶段，允许地面环境不连续，使得机器人能够跨过沟渠，甚至是几十倍于自身高度的障碍。跳跃运动与轮式或腿式机器人的结合，更能够大幅度提高运动能力。弹跳具有爆发性的特点，有助于机器人应对突发情况。另外在外星探测中，月球等微重力的星球表面上，弹跳运动相比于轮式运动能够更加节省能量[1]。生物多样的运动特性为移动机器人的设计提供了许多灵感。经过数百万年的进化，动物身体的结构和运动方式都具有了相当高的合理性、智能型。同时不断进化的生物还造就出了灵巧的运动机构和机敏的运动模式，成为仿生机器人研究取之不尽的模型样本库[2]。从仿生角度设计跳跃机器人，有青蛙、蝗虫、袋鼠等原型供选择。青蛙作为典型的两栖纲动物，其运动方式很有代表性。它稳定的起跳与着陆、轻巧的身体结构和敏捷的动作都具有很大的研究价值。同时，青蛙还具有水陆两栖的特性，今后还可以面向水中的运动，设计出两栖仿青蛙机器人。为了能够用于非结构化的未知环境下的工作，机器人系统需要具有相当强的稳定性。跳跃机器人在越障能力强的同时，也具有易于倾翻，对起跳和着陆地表要求较高，腾空阶段不易控制等问题。因此，为了达到跳跃运动的平稳性、抗倾覆和抗翻转能力，对机器人跳跃过程稳定性的研究非常必要。仿青蛙机器人是一种很具有代表性的间歇式跳跃机器人，运动方式的特点在于四肢都参与跳跃过程，后肢起跳前肢着陆。本论文作为―面向两栖应用的青蛙仿生机器人运动机理研究‖国家自然科学基金(51005052)的一部分研究内容，对仿青蛙机器人的研究进展有着重要意义

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1.2仿生跳跃机器人研究现状目前跳跃机器人构造有两类方法山，一类是利用简单机构产生弹力，即常规跳跃机器人，这种方法机构自由度少，动力学模型简单，实现相对容易：另一类是仿生机构，通过模仿自然界动物肢体构造和跳跃过程来设计跳跃机构，通常具有很多个自由度、需要各多关节协同来完成弹跳过程，具有复杂的动力学模型和控制系统，难以实现稳定的运动，目前只是处于样机研制阶段。 1.2.1国外仿生跳跃机器人研究现状目前美国和日本等发达国家针对跳跃机器人都进行了研究。不同的是，美国的研究工作侧重于为太空探索与军事应用服务，日本则偏重于机器玩具与机器宠物山。跳跃机器人优秀的越障能力很早就受到人们的关注。1969年，为了进行月球探索活动，美国科学家研制了一种弹跳机构]。随后麻省理工学院腿实验室(MIT Leg Lab)的M.H.Raibert教授设计了世界上第一个跳跃机器人[4。后来他和他的团队又研制了二维跳跃机Uniroo,这是一个仿袋鼠运动的单足弹跳腿)，位于四个关节的液压缸驱动机器人动作并保持平衡，水平方向跳跃速度可达2.3/s。在二维样机试验成功之后，该实验室又研制出了三维的单足、双足和四足的跳跃样机。One Leg Hopper作为一种单足三维弹跳机具有很强的运动稳定性，甚至可以完成空翻动作。它由一条可伸缩的金属腿构成，集成传感器和控制板，由压缩空气驱动腿部运动，通过规划控制落地位置。跳跃运动速度达到2.2m/s。双足三维跳跃机3 DBiped,它的单腿机构原理同单腿跳跃机一样，能够实现跑跳甚至空翻等复杂动作。MT机械腿实验室的样机都属于气动连续跳跃机器人阿。MT腿实验室作为仿生腿式机器人的鼻祖，其研究对腿足式和跳跃式机器人具有深远的指导意义。图l-l3 D One Leg Hopper和3 D Biped 图1-2二维跳跃机Uniroo -2-

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 2 - 1.2 仿生跳跃机器人研究现状目前跳跃机器人构造有两类方法[1]，一类是利用简单机构产生弹力，即常规跳跃机器人，这种方法机构自由度少，动力学模型简单，实现相对容易；另一类是仿生机构，通过模仿自然界动物肢体构造和跳跃过程来设计跳跃机构，通常具有很多个自由度、需要各多关节协同来完成弹跳过程，具有复杂的动力学模型和控制系统，难以实现稳定的运动，目前只是处于样机研制阶段。 1.2.1 国外仿生跳跃机器人研究现状目前美国和日本等发达国家针对跳跃机器人都进行了研究。不同的是，美国的研究工作侧重于为太空探索与军事应用服务，日本则偏重于机器玩具与机器宠物[1]。跳跃机器人优秀的越障能力很早就受到人们的关注。1969 年，为了进行月球探索活动，美国科学家研制了一种弹跳机构[3]。随后麻省理工学院腿实验室(MIT Leg Lab)的 M.H. Raibert 教授设计了世界上第一个跳跃机器人[4]。后来他和他的团队又研制了二维跳跃机 Uniroo，这是一个仿袋鼠运动的单足弹跳腿[5]，位于四个关节的液压缸驱动机器人动作并保持平衡，水平方向跳跃速度可达 2.3m/s。在二维样机试验成功之后，该实验室又研制出了三维的单足、双足和四足的跳跃样机。One Leg Hopper 作为一种单足三维弹跳机具有很强的运动稳定性，甚至可以完成空翻动作。它由一条可伸缩的金属腿构成，集成传感器和控制板，由压缩空气驱动腿部运动，通过规划控制落地位置。跳跃运动速度达到 2.2m/s。双足三维跳跃机 3D Biped，它的单腿机构原理同单腿跳跃机一样，能够实现跑跳甚至空翻等复杂动作。MIT 机械腿实验室的样机都属于气动连续跳跃机器人[6]。MIT 腿实验室作为仿生腿式机器人的鼻祖，其研究对腿足式和跳跃式机器人具有深远的指导意义。图 1-1 3D One Leg Hopper 和 3D Biped 图 1-2 二维跳跃机 Uniroo