微小型仿蝗虫机器人设计及其无翻转跳跃运动实现_许毅.pdf
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1、 第 59 卷第 9 期 2023 年 5 月 机 械 工 程 学 报 JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING Vol.59 No.9 May 2023 DOI:10.3901/JME.2023.09.001 微小型仿蝗虫机器人设计及其无翻转 跳跃运动实现*许 毅1 张雨来1 斯云昊1 李 昌1,2 黄 强1 石 青1(1.北京理工大学机电学院 北京 100081;2.重庆长安汽车股份有限公司 重庆 401133)摘要:以跳跃类昆虫为仿生对象,研制出一种微小型仿蝗虫机器人,可实现微小尺度下无翻转跳跃运动。通过分析蝗虫后胸跳跃足的骨骼肌肉模型,设计了基于斯蒂芬森六杆机
2、构的仿生跳跃足结构;根据运动学优化六杆参数,解决了跳跃足末端轨迹的非线性和能量储存受限的问题;利用蝗虫蓄力时海特勒肿块与肌腱锁死实现能量锁存的工作机制,设计了基于棘轮-棘爪机构的锁能与释放装置,实现了机器人蓄力时能量的持续累积锁定,及起跳时的能量瞬时释放;利用动力学分析解算出机器人起跳阶段冲量矩和速度波动角的变化,从理论上验证了本机器人可实现无翻转跳跃的运动特性。最后,通过物理样机实验验证,表明设定胫节与地面夹角 75时,可实现机器人的无翻转、高爆发跳跃,即保持与起跳时一致的空中姿态且跳跃最大高度可达 5 倍体高。关键词:仿蝗虫机器人;仿生跳跃足;能量转换机制;运动稳定性 中图分类号:TP24
3、 Design of a Small-scale Locust-inspired Robot and Its Realization of Non-flip Jumping Motion XU Yi1 ZHANG Yulai1 SI Yunhao1 LI Chang1,2 HUANG Qiang1 SHI Qing1(1.School of Mechatronical Engineering,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081;2.Chongqing Changan Automobile Co.,Ltd,Chongqing 401133
4、)Abstract:A small-scale locust-like robot that can realise the jumping motion without flipping is proposed through taking typical jumping insects as bionic objects.By analysing the skeletal muscle model of the locust hind thoracic leg,a miniature bionic saltatorial leg based on Stephensons six-bar m
5、echanism is designed.The six-bar parameters are optimized according to kinematics analysis,and the nonlinear problem of the trajectory as well as the limited energy storage are solved.By imitating the motion mechanism of Heitlers mass and tendon locking to achieve energy latching in the process of a
6、ccumulating force,the ratchet-pawl mechanism of the bionic jumping leg is designed to realize the energy lock and conversion mechanism.Dynamics analysis is carried out to find out the influence of the rotation angle of the active link on the trend of the robots impulse moment and velocity fluctuatio
7、n angle,revealing the jumping motion mechanism of the small-size jumping robot without flipping motion.The experimental verification of the physical prototype is carried out,which shows that when the robot takes off at a given angle of 75 degrees,the robot can achieve high-efficiency jumping without
8、 flipping,which maintains a good attitude in the air and the jumping height can reach 5 times the body height.Key words:locust-inspired robot;bionic saltatorial leg;power conversion mechanism;motion stability 国家自然科学基金项目(U2013208)。20220624 收到初稿,20221020 收到修改稿 机 械 工 程 学 报 第 59 卷第 9 期期 2 0 前言 微小型移动机器人因
9、体型小巧、运动灵活、易于隐蔽等特点,在应急救援、军事侦察等领域具有很好的应用前景。目前,微小型陆地移动机器人主要采用四种移动方式:滚动式、步行式、爬行式和跳跃式。因其尺寸较小,前三种移动方式的机器人会比同类大型机器人更频繁地遭遇障碍,且通常难以在沟壑、斜坡和崎岖路面上稳定移动。而跳跃式机器人因落地面积小、落脚点离散,具有更强的越障能力和更好的环境适应性1,从而更适用于环境探测、抢险救灾和战场侦察等应用场景。受生物跳跃机制的启发,现阶段研发的跳跃机器人主要可以分为两种类型:仿袋鼠连续跳跃或仿跳蚤单次跳跃。因连续跳跃需要很高的能量支撑,大多数满足此条件的机器人具有相对复杂的驱动机制和较大的体型。在
10、有限尺寸下,可实现单次跳跃能力的微小型仿生机器人也受到很多研究者的青睐。目前该类机器人主要以具备跳跃能力的昆虫为仿生对象,如蝗虫2-5、跳蚤6等。CHEN 等研制了一款体长仅 8.5 cm 的仿叩甲机器人7,通过弹簧和不完整齿轮使机器人可迅速越过障碍物,但其末端执行器的非直线特性导致了机器人无法控制自身位姿、落地稳定性较差。CHEN 等研制了一个体长12 cm、最大跳跃高度为 29 cm 的仿蝗虫跳跃机器 人8,该研究优化了平面四杆机构,并设计前肢调整初始姿态,同时可实现跳跃翻倒后的自恢复,但依然没有解决机器人腾空后的翻转问题。为此,许多研究人员希望通过利用不同的机构设计实现无翻转的跳跃运动。
11、NGOC 等借助两组对称的曲柄滑块机构,研制了一个高 13 cm、重 22.9 g的仿蝗虫跳跃机器人4,最大跳跃高度可达0.754 m。虽然滑块机构输出了直线的运动轨迹,但实验结果表明机器人在跳跃过程中仍存在航向轴和滚转轴上的翻转趋势,机器人姿态的稳定性随着跳跃高度的增加而变差。SHEN 等研制出高 10 cm、重108g 的仿蝗虫机器人9,通过凸轮与六杆机构的组合模拟蝗虫腿部的受力,使其具备稳定跳跃的能力,但该机器人跳跃高度仅为 0.3 m,且实验结果表明跳跃时存在近 40的翻转。PAN 等结合岩袋鼠、跳鼠提出一种跳跃机器人设计方案10,采用六杆机构来放大起跳速度并通过飞轮调整空中姿态,仿真
12、结果表明机器人在62起跳角度下的跳跃高度为0.6 m、远度为 0.9 m,但该研究仅停留在仿真层面,未研制实物进行验证。除此之外,LI 等研制的仿叶蝉跳跃机器人11可实现恒定加速度的起跳及稳定着陆,但因其跳跃高度仅为 10 cm,应用前景受限。ZHANG等研制的仿生蝗虫机器人12基于动力学模型进行跳跃稳定性优化,跳跃高度为 40 cm 且跳跃后在空中无翻转,但其体长 25.6 cm、重 272 g,尺寸和重量远超其仿生对象。因此,在微小尺度下,保证机器人跳跃姿态稳定的同时,兼顾较大的跳跃高度是一个亟待解决的难题。针对以上问题,本文设计了一种微小尺度下可实现无翻转跳跃的仿蝗虫机器人。首先,通过分
13、析蝗虫半月突角质层(SLP)的形变为弹跳积蓄能量的跳跃特性13,设计了基于斯蒂芬森六杆机构的单自由度仿生跳跃足和具备锁定功能的高效能量转换装置;通过运动学分析,优化斯蒂芬森六杆参数,解决了跳跃足末端轨迹的非线性和能量储存不足的问题;进行动力学分析,解算出机器人起跳阶段的冲量矩和速度波动角的变化;通过实验验证,本机器人在实现 5 倍体长的跳跃高度时,跳跃过程中依然未产生任何翻转(实验次 10 次,成功率达 90%)。本研究创新地提出了基于六杆机构的仿生跳跃足结构,揭示了连杆参数对末端运动轨迹的影响;设计了远高于电机功率密度的能量转换装置,分析了能量锁定-释放机制对其高效转化的影响,为微小尺度机器
14、人实现无翻转的高性能跳跃运动提供了有效解决方案,对微小型移动机器人在复杂环境下的探测、侦查等实际应用具有深远影响。1 机构设计 1.1 跳跃仿生原理 跳跃是自然界赋予动物除行走、飞翔、游动之外的另一种重要运动形式。对于小型跳跃类昆虫,跳跃运动可实现高效觅食或逃生,对适应复杂自然环境起到非常关键的作用。特别是蝗虫的弹跳高度可达数十倍体长,且在跳跃过程中具有良好的姿态稳定性,为仿生机器人研究提供了很好的创新思路。生物学家们通过研究发现,蝗虫弹跳高度能达数倍体长的核心原因在于其强有力的后胸足。蝗虫通过肌肉收缩使后胸足的半月突角质层(Semi-lunar processes,SLP)产生形变,以此为跳
15、跃积蓄大量势能13。而且,蝗虫在起跳阶段的线性运动轨迹保证了受力状态的稳定性,使其起跳后可保持无翻转的稳定空中姿态8。蝗虫的起跳可分解为四个阶段:蓄力-锁定-共月 2023 年 5 月 许 毅等:微小型仿蝗虫机器人设计及其无翻转跳跃运动实现 3 收缩-跳跃。蓄力阶段,蝗虫通过肌肉拉动自然伸展状态下的跳跃足并积蓄能量;锁定阶段,蝗虫通过骨骼间咬合将积蓄的能量锁定在跳跃足,维持蓄力状态;共收缩阶段,蝗虫通过肌肉收缩逐渐减少骨骼间的咬合作用力;跳跃阶段,当咬合力减少至无法维持锁定状态,跳跃足迅速后摆、完成跳跃动作。综上,模仿蝗虫跳跃运动的关键在于设计具有高密度能量储存能力及良好伸展稳定性的跳跃腿足结
16、构,并具备可实现能量的锁定与瞬时释放的机构。1.2 仿生跳跃足结构设计与优化 为模仿蝗虫后胸跳跃足的骨骼-肌肉模型与能量储存方式,本研究以单自由度的斯蒂芬森六杆机构为原型,设计出与其股节、胫节和跗节14相对应的仿生跳跃足结构;采用可快速收缩和具有较大回弹力的拉簧代替后胸跳跃足的 SLP 结构。从蝗虫跳跃足到机器人跳跃足的仿生映射关系如图 1 所示。图 1 跳跃足结构仿生映射 本研究在斯蒂芬森六杆机构的基础上进行仿生映射。(1)动作发生器对应仿生跳跃足的主动连杆,主动连杆可绕铰接点定轴旋转,控制仿生跳跃足的能量储释。(2)伸肌和屈肌对应仿生跳跃足的连杆 1 和连杆 4,在储能过程中,主动连杆绕定
17、轴顺时针转动,使连杆 1 产生拉应变、连杆 4 产生压应变,带动跳跃足结构收缩。(3)股节、胫节与跗节分别对应桁架 2(后文统称连杆 2)、桁架 3(后文统称连杆 3)和末端设有的附加连杆,桁架与上述连杆一同为仿生跳跃足的站立与跳跃提供刚性支撑。本研究在相对运动最为明显的连杆 1 与连杆 3之间设有拉簧,对应蝗虫的 SLP 结构。蓄力过程,仿生跳跃足收缩、拉簧被拉伸,与 SLP 结构通过弹性形变蓄能相对应;弹跳过程,仿生跳跃足将在拉簧的作用下立即伸展,以此完成能量的快速转换,与 SLP 驱动蝗虫后腿摆动的原理相似。在此基础上,本研究进一步优化跳跃足结构,增强跳跃稳定性。机器人运动过程中,若地面
18、反力与质心运动方向不一致,则会有持续的角动量累积,最终造成机器人的空中翻转。该问题可通过控制足端的运动轨迹近似线性15来解决,本研究对仿生跳跃足进行运动学分析,研究连杆参数对其末端运动轨迹线性度的影响,优化连杆长度,保证足端轨迹近似为一条直线,尽可能减少空中翻转。如图 2 所示为跳跃足的机构简图,以主动连杆AF 的转动中心 O 点为原点建立世界坐标系,其中、(1,2,3,4)i i=代表各连杆与 x 轴的夹角,(0,1,2)i i=为机构固有的角度参数。图 2 跳跃足机构简图 仿生跳跃足结构的自由度为 1,(1,2,3,4)i i=可与主动连杆的旋转角度建立唯一约束关系。为获取该约束关系,可采
19、用解析法对斯蒂芬森六杆机构进行运动学分析16。首先,构建两个矢量环 0+=OAABODDB(1)0+=OFFEECODDC(2)将式(1)和式(2)以复数形式表示 110exp(j)exp(j)ABODgll=+2exp(j)exp(j)0DBOAll=(3)()2432exp(j)exp j()FEECgll=+()021exp(j)exp j()ODDCll+()exp j()0OFl=(4)以 连 杆1为 研 究 对 象,利 用 欧 拉 公 式exp(j)cossini=+将式(3)分解,消去参量2,可得到1与的约束关系 22222311132arctanPPPPPP+=(5)机 械 工
20、 程 学 报 第 59 卷第 9 期期 4 01ccOAODPll=02ssOAODPll=22221232ABDBABPPllPl+=以连杆2为研究对象,消去参量1,可得到2与的约束关系 11221sarctancABABPlPl+=+(6)其中1可由式(5)确定。类似地,以连杆3为研究对象,可得到3与的约束关系 22255643462arctanPPPPPP+=(7)0214cccOFODDCPlll=+0215sssOFODDCPlll=+22224562ECFEECPPllPl+=以连杆4为研究对象,可得4与的约束关系 3232544sarctancECECPlPl+=+(8)其中3可
21、由式(7)确定。于此,各从动连杆旋转角度(1,2,3,4)i i=与主动连杆旋转角度的解析关系可由式(5)(8)求得。仿生跳跃足末端轨迹的线性程度决定了机器人受力的稳定性。为实现足端轨迹的近似线性,本研究采用(Multi objectives particle swarm optimization,MOPSO)多目标粒子群算法,构建数学模型,对仿生跳跃足机构的各连杆长度进行了优化。(1)选取变量。因足端G点的轨迹是重要的考察对象。为获得G点的坐标(xG,yG),可选取下面的矢量环 +OG=OFFEEG(9)利用欧拉公式分解,可求得坐标(xG,yG)43cccGOFFEEGxlll=+(10)4
22、3sssGOFFEEGylll=+(11)由前述运动学关系可知,跳跃足末端G点的坐标以及连杆的旋转角度均与连杆长度有关。在机器人整体尺寸及机架确定的情况下,本文选取的变量如下 TOAOFABDBBCECCGFEXllllllll=(2)建立目标函数。为保证足端轨迹的良好线性,第一个优化目标为最小化足端轨迹速度矢量的方向变动,如下式 111111minnnkkkkkfavv+=(12)式中,k 为步数、ka为末端轨迹的速度变化量、kv为末端轨迹的速度,由式(10)、(11)可计算kv。11,1,2,1kkkkGGkGGyyvknxx+=(13)为使机器人积蓄更多的能量,拉簧的行程应尽可能远。由图
23、6可知,整个运动周期中连杆3相对连杆1的运动最明显,因而拉簧的两端分别固定于这两根连杆时会出现最大行程。那么,第二个优化目标为最大化连杆间的相对运动,如下式 ()()231311maxkkkkk nkf=(14)式中,k=1代表第一步,对应于后足完全收缩时连杆间的相对位置;k=n代表最后一步,对应于后足完全伸展时连杆间的相对位置。(3)限定约束条件。首先,为满足股节与胫节长度近似的仿生性约束,限定连杆2、连杆3中三角形的最长边为固定值;为满足尺度性约束,限制机架尺寸为固定值 TT608012.94DCEGODlll=除此之外,还需满足如下的三角形连杆和条状连杆存在条件 0DBBCDCECCGE
24、GllllllX+最后,本文通过手调确定了较好的各连杆长度初值。为避免出现较大形状改变影响整机尺寸,设定长连杆波动范围在初值上下20%。而短连杆会影响末端轨迹,为加大轨迹探索空间,设定短连杆波动范围在初值上下50%。表 1 各连杆长度变化 连杆 变化范围/mm 连杆 变化范围/mm lOA 39 lBC 412 lOF 39 lEC 424 lAB 5070 lCG 6080 lDB 5070 lFE 5070 月 2023 年 5 月 许 毅等:微小型仿蝗虫机器人设计及其无翻转跳跃运动实现 5(4)优化结果。设置粒子个数为50、迭代次数为200。各连杆的最优杆长参数如下表所示,粒子群在目标函
25、数地图中的分布及全局最优位置的变化如图3所示。本文的优化目标分别为最小化f1、最大化f2,对应于目标函数地图的左上方区域。从图像中可以看出,粒子群在地图左上方区域密度较大,且最优解不断向左上方移动,说明粒子群向着最优的方向收敛。如此,优化后的机构将拥有良好的线性足端轨迹,且拉簧的较远的行程保证了足够的能量积蓄。表 2 连杆长度优化结果 连杆 优化结果/mm 连杆 优化结果/mm lOA 5.011 0 lBC 6.600 7 lOF 5.449 2 lEC 15.690 2 lAB 57.038 4 lCG 64.403 8 lDB 53.409 5 lFE 58.085 8 图 3 粒子群在
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