哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 中动态进行的。这样运动的优点是显著的能量利用效率，如弓形腿弹跳机器人， 但是这样的跳跃方式在单次跳跃距离和高度上很难得到提高，且该类机器人一 般的运动目标为整体在一段时间内的运动，对机器人单次弹跳性能的研究不够。 图l-3二维Bow Leg机器人 图1-4三维Bow Leg机器人 间歇式跳跃可以简化跳跃控制过程，着重于机器人单次跳跃的弹跳性能研 究，从设计和控制上优化每次跳跃的高度和距离。同时，不像连续型跳跃机器 人在整个跳跃过程中进行实时的动态控制，该类机器人在地面阶段，有充分的 时间进行姿态调整和能量储蓄等起跳准备工作，因此能够更有效的设计机器人 结构以及选取驱动模式，从而有效提高机器人的弹跳水平。 美国NASA喷气动力试验室研制了3代间歇型跳跃机器人主要目的是应用 于空间探索[8，如图1-5和图1-6所示。 图1-5NASA的第二代弹跳机 图1-6NASA的第三代弹跳机 这3代机器人均是用电机驱动弹簧机构，依靠弹簧机构来实现跳跃，并且 从第二代开始，一种弹簧六杆机构被用来作为机器人的驱动单元。以这种结构 作为驱动的机器人，其弹簧能量利用效率相对第一代(20%)[得到了很大的 提高。这种机构实现了将线形弹簧转化为非线性弹簧，使得该机构弹力最大值 出现在起跳中段，而不是弹簧拉伸最大处。这种作用有助于将跳跃过程中大部 分弹簧储存的能量转化为跳跃所需的能量，提高了能量利用率，极大的改善了
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 3 - 中动态进行的。这样运动的优点是显著的能量利用效率，如弓形腿弹跳机器人， 但是这样的跳跃方式在单次跳跃距离和高度上很难得到提高，且该类机器人一 般的运动目标为整体在一段时间内的运动，对机器人单次弹跳性能的研究不够。 图 1-3 二维 Bow Leg 机器人 图 1-4 三维 Bow Leg 机器人 间歇式跳跃可以简化跳跃控制过程，着重于机器人单次跳跃的弹跳性能研 究，从设计和控制上优化每次跳跃的高度和距离。同时，不像连续型跳跃机器 人在整个跳跃过程中进行实时的动态控制，该类机器人在地面阶段，有充分的 时间进行姿态调整和能量储蓄等起跳准备工作，因此能够更有效的设计机器人 结构以及选取驱动模式，从而有效提高机器人的弹跳水平。 美国 NASA 喷气动力试验室研制了 3 代间歇型跳跃机器人主要目的是应用 于空间探索[8]，如图 1-5 和图 1-6 所示。 图 1-5 NASA 的第二代弹跳机 图 1-6 NASA 的第三代弹跳机 这 3 代机器人均是用电机驱动弹簧机构，依靠弹簧机构来实现跳跃，并且 从第二代开始，一种弹簧六杆机构被用来作为机器人的驱动单元。以这种结构 作为驱动的机器人，其弹簧能量利用效率相对第一代（20%）[9]得到了很大的 提高。这种机构实现了将线形弹簧转化为非线性弹簧，使得该机构弹力最大值 出现在起跳中段，而不是弹簧拉伸最大处。这种作用有助于将跳跃过程中大部 分弹簧储存的能量转化为跳跃所需的能量，提高了能量利用率，极大的改善了
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 弹跳性能1。在第三代的设计中，将轮式和弹跳式运动方式相结合，从而增加 了其机动性，对环境的适应能力得到了提高。 上述跳跃机器人大多是通过特定的弹跳机构从功能上进行仿生跳跃机器人 的研制，这种机器人的机构模型和驱动控制系统相对简单。另一方面，从生物 体形态结构上进行仿生，并且通过对生物肌骨骼系统的研究来进一步探索弹跳 仿生机器人，这种方式下建立的腿式跳跃机器人模型以及驱动器配置和控制相 对复杂。 如图1-7所示的机器狗KenKen,它是由日本东京大学研制通过模拟狗腿 部肌腱的工作原理从而开发的一种腿式弹跳机器人1]。它在与中腿平行的位 置安装了一个弹簧来连接大腿和小腿，从而模拟肌腱的作用效果。在跳跃中肌 腱可以吸收部分地面冲击，将储存的能量用于跳跃的循环中，从而提高机器人 的能量利用效率和弹跳性能。这种结构类似于双关节肌肉组织的作用，但被动 弹簧缺乏肌肉组织的主动收缩性，影响弹跳性能的提高。从2007年开始，日本 东京大学的Yasuo Kuniyoshi等人利用气动肌肉作为驱动，研究了带有双关节的 气动肌肉驱动机器人及其控制12,3)，从肌骨骼系统上模拟人体的跳跃运动，研 制如图l-8所示的双足跳跃机器人Athlete Robot!4,l51。 图l-7机器狗KenKen 图l-8 Athlete Robot 1.2.2国内研究现状 在我国对跳跃机器人的研究中，南京航空航天大学的刘壮志最早在国内进 行了弹跳机器人的资料总结和分析，对国外公开的弹跳机构进行研究并制作出 样机来实验，为国内的弹跳机器人研究打下了基础。其研究主要针对美国NASA 的弹簧六杆机构进行运动学和动力学分析，探讨了机器人的简化模型，起跳判 据，能量在跳跃过程中的转化等一系列基础理论16。 北方工业大学的何广平等人研究了基于动力学耦合驱动的双臂跳跃机器人 (图1-9)。随后通过对SLP模型的研究以及改进，改变SLIP模型单一的线性 -4-
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 4 - 弹跳性能[10]。在第三代的设计中，将轮式和弹跳式运动方式相结合，从而增加 了其机动性，对环境的适应能力得到了提高。 上述跳跃机器人大多是通过特定的弹跳机构从功能上进行仿生跳跃机器人 的研制，这种机器人的机构模型和驱动控制系统相对简单。另一方面，从生物 体形态结构上进行仿生，并且通过对生物肌骨骼系统的研究来进一步探索弹跳 仿生机器人，这种方式下建立的腿式跳跃机器人模型以及驱动器配置和控制相 对复杂。 如图 1-7 所示的机器狗 KenKen，它是由日本东京大学研制通过模拟狗腿 部肌腱的工作原理从而开发的一种腿式弹跳机器人[11] 。它在与中腿平行的位 置安装了一个弹簧来连接大腿和小腿，从而模拟肌腱的作用效果。在跳跃中肌 腱可以吸收部分地面冲击，将储存的能量用于跳跃的循环中，从而提高机器人 的能量利用效率和弹跳性能。这种结构类似于双关节肌肉组织的作用，但被动 弹簧缺乏肌肉组织的主动收缩性，影响弹跳性能的提高。从 2007 年开始，日本 东京大学的 Yasuo Kuniyoshi 等人利用气动肌肉作为驱动，研究了带有双关节的 气动肌肉驱动机器人及其控制[12,13]，从肌骨骼系统上模拟人体的跳跃运动，研 制如图 1-8 所示的双足跳跃机器人 Athlete Robot[14,15]。 图 1-7 机器狗 KenKen 图 1-8 Athlete Robot 1.2.2 国内研究现状 在我国对跳跃机器人的研究中，南京航空航天大学的刘壮志最早在国内进 行了弹跳机器人的资料总结和分析，对国外公开的弹跳机构进行研究并制作出 样机来实验，为国内的弹跳机器人研究打下了基础。其研究主要针对美国 NASA 的弹簧六杆机构进行运动学和动力学分析，探讨了机器人的简化模型，起跳判 据，能量在跳跃过程中的转化等一系列基础理论[16]。 北方工业大学的何广平等人研究了基于动力学耦合驱动的双臂跳跃机器人 （图 1-9）。随后通过对 SLIP 模型的研究以及改进，改变 SLIP 模型单一的线性
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 腿结构，研究了一种单足跳跃机器人，在原来模型的基础上增加了腿部关节自 由度来进行生物腿特性的仿生研究1刀。 西北工业大学的葛文杰等人通过对袋鼠跳跃视频的分析，对其弹跳运动过 程进行运动学和动力学分析，建立了仿袋鼠跳跃机器人模型，并通过对柔性脚 的研究，优化了机器人的驱动特性。在对弹簧六杆机构进行了研究并改进后， 研制了一种基于电机弹簧机构驱动的仿袋鼠跳跃机器人，随后在此基础上又研 制了能量可调节的用于星面探测的跳跃机器人8,1)，取得了良好的弹跳性能， 如图1-10所示。在通过对袋鼠腿部各肢体进行分析建模后，葛文杰等人又对 腿式仿袋鼠跳跃机器人进行了设计，并研究了系统的运动学、动力学、轨迹规 划和控制等理论。 图1-9双臂跳跃机器人 图1-10间歇式跳跃机器人 上海交通大学的吕恬生等人通过生物跳跃运动和人体跳跃姿态捕捉实验， 对跳跃运动进行了运动学和动力学分析，并以惯性匹配可操作度为优化目标进 行了跳跃运动的优化20。 哈尔滨工程大学的胡胜海等人对仿青蛙跳跃机器人进行了研究，建立了仿 青蛙跳跃机器人弹跳阶段的运动学和动力学模型，样机弹跳腿由电机驱动。对 机器人的欠驱动特性进行了研究并且采用基于速度方向可操作度的轨迹规划优 化方法对机器人的运动进行了规划2。 北方工业大学的李涛通过对青蛙跳跃运动的分析，设计了一种仿青蛙跳跃 机器人，该机器人采用弹簧-拨杆机构，利用电机对弹簧储存能量，使机构简单， 轻巧化，如图1-11所示22。 哈尔滨工业大学的王猛等人基于对生物青蛙在跳跃运动中关节运动轨迹的 信息提取，研究了青蛙的运动规律。从而研制了一种以电机为驱动，利用弹簧 五杆机构腿进行跳跃的仿青蛙跳弹机器人，如图1-12所示。对机器人跳跃的 各个运动阶段进行了运动学和动力学分析，详细分析了弹簧五杆机构的动力学 -5-
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 5 - 腿结构，研究了一种单足跳跃机器人，在原来模型的基础上增加了腿部关节自 由度来进行生物腿特性的仿生研究[17]。 西北工业大学的葛文杰等人通过对袋鼠跳跃视频的分析，对其弹跳运动过 程进行运动学和动力学分析，建立了仿袋鼠跳跃机器人模型，并通过对柔性脚 的研究，优化了机器人的驱动特性。在对弹簧六杆机构进行了研究并改进后， 研制了一种基于电机弹簧机构驱动的仿袋鼠跳跃机器人，随后在此基础上又研 制了能量可调节的用于星面探测的跳跃机器人[18,19]，取得了良好的弹跳性能， 如图 1-10 所示。在通过对袋鼠腿部各肢体进行分析建模后，葛文杰等人又对 腿式仿袋鼠跳跃机器人进行了设计，并研究了系统的运动学、动力学、轨迹规 划和控制等理论。 图 1-9 双臂跳跃机器人 图 1-10 间歇式跳跃机器人 上海交通大学的吕恬生等人通过生物跳跃运动和人体跳跃姿态捕捉实验， 对跳跃运动进行了运动学和动力学分析，并以惯性匹配可操作度为优化目标进 行了跳跃运动的优化[20]。 哈尔滨工程大学的胡胜海等人对仿青蛙跳跃机器人进行了研究，建立了仿 青蛙跳跃机器人弹跳阶段的运动学和动力学模型，样机弹跳腿由电机驱动。对 机器人的欠驱动特性进行了研究并且采用基于速度方向可操作度的轨迹规划优 化方法对机器人的运动进行了规划[21]。 北方工业大学的李涛通过对青蛙跳跃运动的分析，设计了一种仿青蛙跳跃 机器人，该机器人采用弹簧-拨杆机构，利用电机对弹簧储存能量，使机构简单， 轻巧化，如图 1-11 所示[22]。 哈尔滨工业大学的王猛等人基于对生物青蛙在跳跃运动中关节运动轨迹的 信息提取，研究了青蛙的运动规律。从而研制了一种以电机为驱动，利用弹簧 五杆机构腿进行跳跃的仿青蛙跳弹机器人，如图 1-12 所示。对机器人跳跃的 各个运动阶段进行了运动学和动力学分析，详细分析了弹簧五杆机构的动力学
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 特性，运用遗传算法对机器人运动轨迹进行了规划，建立了一套多传感器信息 平台，对机器人的跳跃稳定性进行控制2]。 图1-11北方工业大学仿青蛙跳跃机器人 图1-12哈工大仿青蛙跳跃机器人 1.3气动肌肉驱动器综述 上个世纪50年代，一种能利用流体压力进行驱动的膜片驱动器经过Havenh、 Morin和GAYLORD24]等人的改进，形成了目前McK ibben气动肌肉的雏形。 60年代，美国医生JosePh L.McK ibben将这种驱动器用于驱动假肢的运动，从 而进行临床康复理疗，通过对冲入的CO,气体压力的控制，改变肌肉的输出力。 这种气动人工肌肉统称为为McK ibben型气动肌肉。该气动肌肉是目前国内外 广泛进行研究的一种气动驱动，基于这种肌肉的建模与特性分析，新型结构设 计和控制理论等方面被众多科研机构研究。该型气动肌肉的主要结构为一中空 的橡胶管，同时在外面添加了一层高强度的编织网结构，当冲入压缩气体时， 肌肉径向膨胀从而产生收缩力。气动肌肉的出现使得气动驱动产品的特性有了 新的研究和应用方向，拥有着广阔的发展前景2]。 气动肌肉在工业界得到推广，目前己经商品化，日本的Bridgestone公司较 早进行了气动肌肉的研制。英国的Shadow公司利用自己生产的气动肌肉作为 驱动，研制了一种先进的仿人手。德国的FSTO公司也推出了自己的气动肌 腱系列产品MAS气动肌腱，并且对气动肌肉的性能进一步改进，生产出新一 代DMSP系列气动肌腱产品，如图1-13所示。 图1-13DMSP系列气动肌肉 DMSP系列气动肌腱属于McK ibben型气动肌肉，FESTO将一种高强度的 螺旋编制纤维网嵌入到氯丁二烯橡胶中，从而大大减小了橡胶层与编织网之间 -6-
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 6 - 特性，运用遗传算法对机器人运动轨迹进行了规划，建立了一套多传感器信息 平台，对机器人的跳跃稳定性进行控制[23]。 图 1-11 北方工业大学仿青蛙跳跃机器人 图 1-12 哈工大仿青蛙跳跃机器人 1.3 气动肌肉驱动器综述 上个世纪50 年代，一种能利用流体压力进行驱动的膜片驱动器经过 Havenh、 Morin 和 GAYLORD[24]等人的改进，形成了目前 McKibben 气动肌肉的雏形。 60 年代，美国医生 JosePh L. McKibben 将这种驱动器用于驱动假肢的运动，从 而进行临床康复理疗，通过对冲入的 CO2 气体压力的控制，改变肌肉的输出力。 这种气动人工肌肉统称为为 McKibben 型气动肌肉。该气动肌肉是目前国内外 广泛进行研究的一种气动驱动，基于这种肌肉的建模与特性分析，新型结构设 计和控制理论等方面被众多科研机构研究。该型气动肌肉的主要结构为一中空 的橡胶管，同时在外面添加了一层高强度的编织网结构，当冲入压缩气体时， 肌肉径向膨胀从而产生收缩力。气动肌肉的出现使得气动驱动产品的特性有了 新的研究和应用方向，拥有着广阔的发展前景[25]。 气动肌肉在工业界得到推广，目前已经商品化，日本的 Bridgestone 公司较 早进行了气动肌肉的研制。英国的 Shadow 公司利用自己生产的气动肌肉作为 驱动，研制了一种先进的仿人手。德国的 FESTO 公司也推出了自己的气动肌 腱系列产品 MAS 气动肌腱，并且对气动肌肉的性能进一步改进，生产出新一 代 DMSP 系列气动肌腱产品，如图 1-13 所示。 图 1-13 DMSP 系列气动肌肉 DMSP 系列气动肌腱属于 McKibben 型气动肌肉，FESTO 将一种高强度的 螺旋编制纤维网嵌入到氯丁二烯橡胶中，从而大大减小了橡胶层与编织网之间
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 的摩擦。DMSP系列气动肌腱与MAS系列相比，横截面积减小了25%，重量 减轻了30%，并且提高了肌肉径向的承受能力，有利于将肌腱更紧凑与高效的 应用在工业以及机器人驱动中。DMSP系列气动肌肉的最大理论收缩率能达到 25%,而且重量很小，实验中使用的内径为10mm的气动肌肉质量仅为66g, 能够有效减小机器人的设计质量。 1.4主要研究内容 课题前期对仿青蛙机器人的研究己经有了阶段性成果。本文对仿青蛙跳跃 机器人进行肌骨骼系统上的仿生研究，设计并研制了一种新型基于气动肌肉驱 动的仿青蛙弹跳腿样机。论文具体研究内容如下： (1)分析现有样机的优点与不足，探讨新的设计方案。分析青蛙跳跃过程 中肌骨骼系统的运动规律，并根据气动人工肌肉的特性，选取合适的气动肌肉 产品与型号，设计一种与气动肌肉驱动形式相协调的仿青蛙跳跃机器人。 (2)对机器人进行运动学和动力学分析，探讨提高机器人弹跳性能的方法 和设计。分析气动肌肉在机器人运动过程中的收缩规律，为求解驱动的输出提 供参数。分析机器人与地面的作用力，建立动力学方程，为驱动的配置，轨迹 规划和控制提供理论基础。 (3)为研究机器人的弹跳性能，分析起跳阶段机器人关节空间中的轨迹问 题，以机器人的最小驱动要求为基础，进行基于遗传算法的机器人关节空间的 轨迹优化，从而实现对机器人弹跳性能的初步分析。 (4)对机器人进行跳跃过程的仿真，通过仿真数据分析机器人设计的可行 性。建立气动肌肉驱动的仿青蛙跳跃机器人的电气机械实验平台，对在起跳过 程中起主要作用的弹跳后腿进行跳跃实验。综合仿真和实验的结果验证该方案 的可行性并初步分析仿青蛙跳跃机器人的弹跳性能。 -7-
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 7 - 的摩擦。DMSP 系列气动肌腱与 MAS 系列相比，横截面积减小了 25%，重量 减轻了 30%，并且提高了肌肉径向的承受能力，有利于将肌腱更紧凑与高效的 应用在工业以及机器人驱动中。DMSP 系列气动肌肉的最大理论收缩率能达到 25%，而且重量很小，实验中使用的内径为 10mm 的气动肌肉质量仅为 66g， 能够有效减小机器人的设计质量。 1.4 主要研究内容 课题前期对仿青蛙机器人的研究已经有了阶段性成果。本文对仿青蛙跳跃 机器人进行肌骨骼系统上的仿生研究，设计并研制了一种新型基于气动肌肉驱 动的仿青蛙弹跳腿样机。论文具体研究内容如下： (1) 分析现有样机的优点与不足，探讨新的设计方案。分析青蛙跳跃过程 中肌骨骼系统的运动规律，并根据气动人工肌肉的特性，选取合适的气动肌肉 产品与型号，设计一种与气动肌肉驱动形式相协调的仿青蛙跳跃机器人。 (2) 对机器人进行运动学和动力学分析，探讨提高机器人弹跳性能的方法 和设计。分析气动肌肉在机器人运动过程中的收缩规律，为求解驱动的输出提 供参数。分析机器人与地面的作用力，建立动力学方程，为驱动的配置，轨迹 规划和控制提供理论基础。 (3) 为研究机器人的弹跳性能，分析起跳阶段机器人关节空间中的轨迹问 题，以机器人的最小驱动要求为基础，进行基于遗传算法的机器人关节空间的 轨迹优化，从而实现对机器人弹跳性能的初步分析。 (4) 对机器人进行跳跃过程的仿真，通过仿真数据分析机器人设计的可行 性。建立气动肌肉驱动的仿青蛙跳跃机器人的电气机械实验平台，对在起跳过 程中起主要作用的弹跳后腿进行跳跃实验。综合仿真和实验的结果验证该方案 的可行性并初步分析仿青蛙跳跃机器人的弹跳性能