文献综述报告-弹跳机器人设计、多功能升降器设计、多功能担架车设计5

地震搜救弹跳机器人 文献综述 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 班 级（学 号）：机0606（306010631）        姓 名：  张  威         指导教师：  王科社  教授   摘　要：机器人在实际应用时，很多时候 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 其具备弹跳装置以便跃过障碍物或沟渠。而多轮驱动以及爬行或步行机器人无法满足这种要求，因此迫切需要研制具有弹跳能力的机器人。本文对弹跳机器人及目前的研究进行了综合的介绍和分析，并在此基础上介绍了作者在这方面所做的工作。本文同时也对未来弹跳机器人的发展趋势做了展望。 关键词：机器人；弹跳运动；弹跳机器人 A Review of Hopping Robots Abstract：In application, robots often need hopping instruments to overleap the obstacles or ditches. However, wheeled and crawled robots cannot do this.This paper synthetically introduces and analyzes the current research, and illustrates the working mechanism of a hopping machine which is worked out by the authors. In addition to reviewing some of the key aspects of the design of hopping systems, this paper gives prospect of the developing trend. Key words: Robots; Hopping movement; Hopping robot 目前，移动机器人采用的两种主要运动方式是：多轮或履带式驱动，仿生爬行或步行。但是这两类移动机器人共同的缺陷是：它们很难一次性跃过较大的障碍物或沟渠。随着机器人应用范围的日益广泛，机器人面临的环境也越来越恶劣，诸如考古探测、星际探索、军事侦察以及反恐活动等。在这样的环境中，要求机器人必须具有较强的地形适应和自主运动能力。 相对于采用以上两种运动方式的移动机器人，弹跳机器人可以轻而易举地跃过与自身尺寸大小相当的障碍物或沟渠，甚至可以跃过数倍于自身尺寸的障碍物，因此更适合复杂和不可预测的环境。 特别值得一提的是在星际探索中，由于月球与火星 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面的重力加速度大大低于地球表面的重力加速度(分别为地球的38%和17% ) 。弹跳机器人能充分利用这个特点，来达到扩大运动范围和节省能量的目的。尤其在探索过程中面对的往往是未知的地形，弹跳机器人相对于其它移动机器人具有更强的地形适应能力。因此，弹跳机器人特别适合应用于以未知、崎岖地形，低重力环境为特征的星际探索中。早在1969年美国就有人研制弹跳机器人以用于月球探索，根据当时“阿波罗”号飞船登月时的数据以及后期的试验与计算，列出在月球上3种方式的比较(表1) 。 表1　月球上3种运动方式比较 运动方式 运动距离( km) 重量 ( kg) 有效载荷( kg) 持续性 弹跳式 30 450 7 3 h 喷气式 7 205 7 推进燃料的消耗 漫游小车 17 1750 更大 数小时           可见弹跳运动在星际探索中是一种非常高效的运动方式。California Institute of Technology和Jet Propulsion Laboratory在National Aeronautics and Space Administration的资助下，对应用于星际探索的弹跳机器人进行了研究，这个项目并且得到了美国国家科学基金的资助。该项目从1999年起，先后研究开发出了三代弹跳机器人，其中第三代弹跳机器人在远程计算机的控制下基本实现了自主运动。随着我国载人航天器的发射成功，登陆其它行星必然是下一步目标，弹跳机器人在其中必然会发挥巨大的作用。 1　弹跳机器人的研究现状 1.1　弹跳机器人的研究起源 最早的弹跳机器人为Marc Raibert于1980年在麻省理工学院机器人实验室研制的单腿弹跳机器人。其基本模型如图1 (a)所示，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θ，该机构可以在线形轨迹运动。在参考文献[ 2 ]中有这方面的概述，在文献[ 3～6 ]中有相关的力学分析。在文献[ 7 ]中对这个模型进行了改进，增加了铰接式的关节，从而使模型可以在三维空间运动。这个模型的弹跳与落地过程经过运动学和动力学分析和计算后，只要按规律外加控制就可以保持连续平滑的弹跳运动。 图1　单腿弹跳机器人 另一个较早的弹跳机器人模型为Acrobatic Robot，也称为Acrobot，研究比较集中在对它的弹跳过程进行控制。这个模型有点类似于倒转的双钟摆结构，如图1 ( b) ，机构具有唯一的旋转自由度θ和唯一的动力源，位于机构的关节处。机构的弹跳是通过加速它的质心来使它底部逐渐失去与地面的接触，在参考文献[ 8～12 ]中有对它的分析和控制策略。Acrobot的构造类似于Raibert的早期单腿弹跳机构，唯一的旋转关节同时充当动力源和平衡臂的作用。Acrobot的落地姿态控制是通过补偿θ角来实现。 早期的弹跳机器人研究基本上都集中在对这两个模型进行运动、动力学分析和控制研究上。且以后的弹跳机器人都是以这里推导出的公式为继续研究的基础。但在实际中此模型存在很多问题，首先模型中的许多假想条件并不成立，另外模型是以自治的连续弹跳运动为分析对象，但Raibert在实验室中的弹跳机器人需要大量外围设备与器件作支撑，保证其稳定及供给能量，去掉这些辅助装置就不能集成到一起形成满足实际需要的自治弹跳机器人，因此实际机构的研制很少完全按照上述模型。但这两个模型为以后的研究打下了重要的基础。 1.2　弹跳机器人的分类 弹跳机器人因为出现的时间比较晚，现在还没有明确的分类 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 。本文按照弹跳机器人的运动形式不同对它进行了分类，并且简单介绍了已经面世的弹跳机器人。 弹跳机器人从运动形式上一般分为两类：一种作连续性的弹跳运动，即足部接触地面后在很短的时间内再次弹跳，机构的能量补充、姿态调整、起跳参数设置和着落点预测都是动态完成的。上文提到的两个机构模型为典型的连续弹跳模型。连续弹跳机器人的弹跳过程可以分为起跳、腾空飞行、落地再起跳3个阶段，其运动过程如图2所示，其优点是第二次起跳能够部分利用前一次的下落势能，使得能量利用效率较高，而且不需要很长时间存储能量，只需在弹跳落地瞬间加以适当补充即可，因此弹跳频率较快，活动范围大。一般来说，实验研究集中于此，比较关注的是弹跳过程中动力学平衡问题，以及机器人在连续弹跳过程中的控制问题。弹跳机器人的研究起源于此，目的是建立具有连续跑动能力的机器人。此类机构的运动过程一般采用poincare映射方法分析关键时刻的速度与弹跳高度，将连续非线性动态过程离散化，并且降低系统维数，目前已取得一些理论研究成果。在实验室中已实现稳定跳跃、越障等功能，并可完成翻跟斗等动作。 图2　连续弹跳机器人运动过程 图3　弓形足弹跳机器人 连续弹跳机器人比较典型的例子还有The Robotics Institute Of Carnegie Mellon University 的弓形足弹跳机器人[13，14] (图3) 。图3 (a) 、图3 (b)分别实现了两维和三维空间的连续弹跳、动态积聚能量，并且能对着落地行进行简单的预测。图3 ( c)为其腿部运动原理，其弹跳基本原理为：电机通过滑轮装置拉紧绳索，使弓形弹性腿绷紧，然后通过触发装置瞬间释放绳索，弹性腿储蓄的能量可以带动整个机构弹起。弓形足弹跳机器人在每个起跳后到落地前的周期里，完成能量积聚、对下一个落地位置进行预测等工作。 另外一类弹跳机器人作间隙性运动，即经过一次弹跳后，需要短暂的时间来进行位姿调整、能量存储和地形预测等，为再次弹跳做准备。间歇性弹跳机器人的运动速度或频率没有连续性弹跳机器人快，其运动基本可分为起跳、飞行、落地(可能翻转) 、调整、再次起跳4个阶段，比连续性弹跳多了一个地面调整过程。这一过程主要是重新存储弹性势能，调整弹跳方位，进行地形预测，并且如果发生落地翻转，还要设法回复到预备弹跳的姿态。间歇性弹跳不像连续性弹跳那样要在每时每刻都保持对机构姿态的绝对控制。它可以分段控制，即控制机构积累能量并向预定方向释放后，在飞行过程中不再加以控制，当机构落地后再进行调整。这种方式明显简化了控制过程，而且不影响弹跳机构的实际功能。间歇性弹跳机器人避开了复杂的非线性和动态过程控制，其实现过程相对要简单得多。在现阶段，对间隙性弹跳机器人的研究较多，已面世的具有实用价值的弹跳机器人大多为此类。 图4　NASA弹跳机器人 图5　第二代和第三代弹跳机器人蓄能装置原理图 NASA的三代弹跳机器人均属于间隙性弹跳机器人[15～17] (图4) 。第一代弹跳机器人，靠滚动和弹跳来实现运动，弹跳运动是由线形的弹簧装置实现的。它的外层是透明的聚碳酸酯外壳，在机构落地时起保护作用，它的透明性可以让内部的图像采集装置收集地形信息。在第三代弹跳机器人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。控制装置包括：计算机上的控制软件，其功能是用来设置弹跳和移动运动的一些参数、处理数据和预测判断地形；一个双信道通讯装置，用来和弹跳机器人交换数据信息；一个视频装置，用来接受来自弹跳机构的图像采集设备采集到的图像信息。该原型机实现了远程控制下在较为规则地形环境中自由运动且能够自动辩识和跃过遇到的障碍物。其弹跳方向和起跳角度的调整有专门的机构来实现。在腿部压缩状态时，通过收缩足部，依靠三个轮子实现机构的移动；在准备弹跳时，足部再伸出接触地面，尾部的轮子抬起；尾轮抬起的高度控制特定机构可以调整起跳角度，在该原型机里，起跳角度可以按照障碍物大小的不同从0到85°进行调整。它的蓄能方式和第二代弹跳机器人相同，图5是它们的蓄能装置原理图。机器人的腿部在y方向压缩和伸展，该装置把x方向弹簧的线形伸缩转化成y方向的非线形伸展和压缩，可以降低机构提前起跳的可能性和最大效率的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形弹簧弹跳装置，能量利用率从20%提高到了70%。 另外，间隙性弹跳机器人的应用实例还有The Department of Energy′s Sandia National Laboratories的利用碳化氢作燃料的弹跳活塞机构[18] ，能达到20英尺的弹跳高度。 1.3　目前弹跳机器人的主要构建方法 总结目前的弹跳机器人研究，主要构建方法可分为3大类：一类是从自然界生物的弹跳动作中获得启发，仿造外型与功能类似的机构， 同时实现行走与弹跳， 如机械蟋蟀[19，20]与机械猫等[ 21 ] ，可归为仿生机构。另一类方式就是直接利用简单机构产生弹力(例如离心力、弹簧弹力等) ，这种方法机构自由度少，动力学模型简单，实现起来相对容易。第三类方法为采用一些特殊能源方式，比如气体爆炸产生的爆炸力来实现弹跳。 南航机械电子工程研究所采用第二类方法，研制了多个弹跳机器人模型，达到了一定实用目的。图6是其中的一个单腿非连续弹跳机器人的蓄能装置，图7是蓄能装置的原理图和锁定装置原理图。其基本工作原理为：蓄能装置顶部的电机作顺时针旋转，主弹簧开始压缩，弹跳腿部也逐渐进入机构体内，从而积蓄能量，直到锁定装置进入锁定位置；电机作逆时针旋转，机构触发锁定装置，使锁定装置突然打开，主弹簧推动腿部弹出，冲击地面，使机构产生弹跳运动。弹跳机器人的弹跳运动是由弹簧的线形运动产生的，弹簧壳体同时防止了弹簧的侧向滑移。 图6　单腿弹跳机器人蓄能装置 其锁定装置的工作原理为：当电机作顺时针旋转，主弹簧开始压缩，弹跳腿部逐渐进入机构体内。图7 (b)是锁定装置原理图，它的内槽是V型阶梯状，当弹跳腿部向上运行到一定位置时，锁定钢珠进入弹跳腿部的凹槽内部，锁定弹簧推动锁定装置向上运动；这时锁定装置的位置高度高于导轨的下端，钢珠的位置由V型槽的顶端下降到底端；主弹簧进入锁定位置。电机作逆时针旋转时，电机带动螺杆，连同销向下运动，推动锁定装置向下运动；由于弹跳腿部受压缩的主弹簧的压力，使钢珠的位置由V型槽的底端运动到顶端；锁定装置实现锁定释放；主弹簧推动腿部弹出。 图7　单腿弹跳机器人蓄能装置工作原理图 该单腿非连续弹跳机器人的完整装配图类似于NASA的第一代弹跳机器人，有透明的圆形外壳，在机构落地时起保护作用，同时兼有可以滚动的作用。外壳透明性可以让内部的图像采集装置收集地形信息。当图像采集装置在电机驱动下转动时将导致整个系统重心的偏移，从而系统产生倾斜，由此可以实现系统弹跳方向的调整。系统电池装置、附属装置集中在系统的足部，这样可以使系统的重心较低，从而在系统弹跳落地后可以实现系统姿态的自动复原。 该原型机的其它附属装置这里不作介绍，如能量供给系统，图像采集与处理系统，智能控制系统。该原型机的主要缺点为：效率较低；姿态和弹跳方向调整方式是一种非主动方式。这些在以后的工作中会逐步的完善和克服。 2　弹跳机器人研究面临的问题 目前弹跳机器人的研究主要分为两类：一种是研究弹跳机器人在连续的弹跳运动中如何保持稳定[ 22～25 ] ，理论研究集中这方面的运动学动力学分析。另一种是研究弹跳机器人在间隙弹跳运动中如何弹的更高、跳的更远[ 26～28 ] ，理论研究集中于构建具有实用价值的弹跳机器人。这点类似于以上的连续和间隙弹跳机器人之分。 连续型弹跳机器人的理论建模和计算过程比较复杂，目前的连续弹跳运动理论研究都是基于许多假设，如：地面平坦或地形参数已知、不考虑足部重量等。这些特定条件下的理论研究结果无法应用到以复杂未知地形为特征的外界环境中。而现在的间歇性弹跳机器人研究中，一般采用单驱动器驱动下的多任务执行器，在调整期内顺序完成机构位姿调整、能量积累和起跳参数设置，这样可以避开复杂的非完整、非线性、动态过程控制，动力学模型要简单得多。 对于这两类弹跳机器人，它们需要共同解决的问题包括：高效率的能量储存和释放装置、稳定的自我调节功能、在复杂环境中独立存活的能力、多个独立个体间的通讯协调能力、空中姿态平衡、倒地姿态复原和其他功能。具体来说：要求机器人具有比高的能量利用率，能吸收落地时碰撞产生的能量，在跃过尺寸较大的障碍物或沟渠时，可以积聚能量，在从较高的地形落下时，可以采取措施来逐步消减能量或把能量积蓄到体内；要求机器人能控制弹跳过程的一些参数，从而在弹跳过程中能按照地形的要求自适应地调节弹跳高度和弹跳距离；要求机器人能具有地形判断和预测能力，能在苛刻的未知地形环境中执行任务；要求多个独立弹跳机器人之间能通过短距离无线通信来交换信息，来互相协作完成任务；要求机器人在空中具有平衡性能，使机载设备能正常工作；要求机器人在非正常倒地的情况下，可以自我调整姿态，进行起跳前的状态复原。 3　弹跳机器人研究的发展方向 (1) 弹跳机器人的微型化。在很多应用场合都要求弹跳机器人体积尽量微小。在星际探索中，火箭的有效载重有限，弹跳机器人微型化有利于火箭携带更多个体。而在军事侦察中，则希望弹跳机器人能够隐蔽地执行任务，这就要求弹跳机器人体积尽量微小，外形仿造昆虫，尽量不引起注意。随着MEMS技术的快速发展，弹跳机器人的微型化应用也成为可能。 (2) 弹跳机器人的仿生化。在自然生物界中，很多的昆虫、鸟类和兽类能够跳跃：跳蚤跳跃最高15 cm、最远30cm；青蛙跳跃时初速为1.2 m/s，最高点达23cm，远达50cm；一只5龄的蝗虫可跳30 cm高， 70 cm远；特别值得一提的是生活在澳洲草原上的袋鼠，它以跳跃代步，能连续跳跃，一只18 kg重的大袋鼠，跳起来最高近3 m，最远达9 m。如果我们把这几种动物跳跃能力和它们身体长度作比较，青蛙能跳到自身长度的12倍，袋鼠达到5倍，跳蚤可达200 倍[ 29 ]。这些自然界中的实例对弹跳机器人的研究无疑具有很大的启示作用。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。目前已经出现了对这方面的研究，代表机器人有上面提到的CaseWestern Reserve University研究人员研制的机械蟋蟀，日本研究人员研制的弹跳猫。 (3) 弹跳机器人的智能化。机器人的智能化研究一直是相当重要的研究方向，相对于其它类型的机器人，弹跳机器人对智能化的要求更高。例如在机构方面，弹跳机器人需要具有智能的平衡及矫正机制，使机构能够在弹跳后尽量保持平衡或在意外翻转后能回复原有姿态。 在控制方面，弹跳机器人需要具有基于多传感信息融合的智能避障系统及实时规划算法，通过主要包括视觉获取规划机器人运动路径所需信息的方法，以及根据这些信息进行弹跳序列规划的算法，具有智能决策支持系统，可进入自主控制模式，按所获得的视觉信号，控制自身运动达到预定目标。如果是多个弹跳个体之间协同运动，还需要具有智能的多机器人间通讯的一种高效合理配合协议框架；除对单个弹跳机器人的控制与决策外，集中智能指挥模块、群体智能指挥模块研究，以及多智能体控制技术研究也是重要的研究方向。 (4) 和其它运动方式的结合。相对于弹跳运动，多轮驱动，仿生爬行或步行的研究较为成熟。如何把弹跳运动和其它的运动方式相结合，使机器人具有高的机动性，也是弹跳机器人的发展方向之一。上面介绍过的NASA的第三代弹跳机器人就是这方面的一个很好的例子。 4　结束语 在非结构化或准结构化环境下运动时，地面移动机器人躲避或跨越障碍物的能力决定了其活动范围。轮履及爬行步行式机器人遇到大于其自身尺寸的障碍物时，一般只能避让，在很多场合的应用受到限制。而弹跳机器人可以跃过数倍于自身尺寸的障碍物或沟渠，这点优于其它类型的机器人，因此对地形有更强的适应力。但是相对于其它类型的机器人，弹跳机器人的研究还处于初始阶段，有许多问题还有待于解决。 参考文献 [1] KaplanM H， Seifert H. Hopping Transporters for Lunar Exploration[ J ]. Journal of Spacecraft and Rockets，1969，6(3)： 917～922 [2] RaibertM H. Legged Robots that Balance [ M ]. The MIT Press， 1986， Cambridge， MA [3] Koditschek D E，BühlerM. Analysis of a simplified Hopping robot [ J ]. International Journal of Robotics Reseach， 1991，10 (6) ：587～605 [4] Lap shin V V. Motion control of a legged machine in the supportless phase of Hopping [ J ]. International Journal of Robotics Reseach，1991，10 (4) ： 327～337 [5] Li Z，Montgomery R. Dynamics and optimal control of a legged robot in flight phase[ A ]. IEEE Conference on Robotics and Automation [ C ]，Cincinnati，OH， May 1990， 1816～1821 [6] M′Closkey R T， Burdick JW. Periodicmotion of a Hopping robot with vertical and forward motion [ J ]. International Journal of Robotics Reseach， 1993， 12 (3) ： 197～218 [7] Hodgins J， RaibertM H. Biped Gymnastic [ A ]. 4th International Symposium on Robotics Research [ C ]，The MIT Press，1988，5～14，Cambridge，MA [8] BerkemeierM D，Fearing R S. Sliding and Hopping gaits for the underactuated acrobat [ J ]. IEEE Transaction on Robotics and Automation，1998，14 (4) ： 629～634 [9] Luca A D， Oriolo G. Stabilization of the acrobat via iterative state steering[ J ]. IEEE Conference on Robotics and Automation，Leuven，Belgium，May 1998： 3581～3587 [10] Hauser J，Murray RM. Nonlinear contorllers for non-integrable systems： the acrobot example [ A ]. American Control Conference[ C ] ， 1990： 669～671 [11] Saito F，Fukuda T，Arai F.Swing and locomotion control for a two-link brachiation robot[ J ]. IEEE Control System Magazine， February 1994： 5～12 [12] SpongM W. The swing up control problem for the acrobat [ J ]. IEEE Control System Magazine，February，1995，49～55 [13] Brown H B，Zeglin G Z. The bow leg Hopping robot [ A ]. IEEE International Conference on Robotics and Automation [ C ]，1998 [14] Jean-Christophe Zufferey. First jumps of the 3D bow leg hopper [ A ]. Micro-Engineering，EPFL [ C ]，2001 [15] Fiorini P，Hayati S，HeverlyM，Gersler J. A Hopping robot for planetary exploration [ A ]. In： Proc. of IEEE Aerospace Conference [ C ] ， Snowmass， CO， March， 1999