弹跳机器人

弹跳机器人（共3篇）

弹跳机器人 篇1

0 引言

移动机器人的最大挑战就是其运动的机动能力,当前的很多机器人在实验室平滑的地面条件下可以完成复杂的任务,但是,在面对外界的未知、复杂地形和危险地带时,当前的移动机器人的运动能力将面临严峻的挑战。目前移动机器人的运动方式主要有轮式或履带式和基于仿生的爬行或步行方式,其中,轮式或履带式移动机器人一般在相对平坦的地势下运动,当遇到凹凸不平的地形时其运动能力将受到巨大的限制,而步行或爬行机器人自由度多、控制复杂和运动缓慢,这两类机器人在面对较自身尺寸大的障碍物或沟渠时都会变得束手无策。而弹跳机器人可以越过数倍甚至数十倍于自身尺寸的障碍物,与现有机器人的运动方式结合起来便可以大大地提高机器人的活动范围[1]。

1 机器人总体描述

移动式弹跳机器人主要由机械本体和控制系统组成,本体部分主体为由充排气控制装置和点火装置控制的弹跳机构,该机构由缸体、活塞、复位弹簧、锁紧机构等组成,燃气供给部分由储气罐、减压阀和相应电磁阀组成。控制系统主要由电机控制装置、充排气控制装置、点火装置、无线通信装置、数据采集装置和能源供给装置等组成。

基本设计思想是:在相对平坦的环境中机器人采用轮式驱动,遇到沟渠、墙壁等障碍物时机器人通过弹跳运动越过障碍物,在弹跳前通过舵机改变机器人的弹跳姿态。到达目标位置后通过机载的摄像头把周围的信息传递回工作站,便于使用者收集材料并及时地发出新的决策。

2 机器人控制系统设计

机器人的控制系统分为5个部分:主控模块、运动控制模块、弹跳控制模块、图像采集模块和传感器数据采集模块。主控模块主要控制其他4个模块的工作并通过无线模块实现与工作站的通讯;行走控制模块主要实现机器人的轮式运动控制;弹跳控制模块负责机器人弹跳机构的控制;图像采集发送模块负责现场图像的采集和无线发送;传感器数据采集模块则负责把信息采集到并通过无线模块发给回工作站。MSP430微处理器由于具有丰富的外设资源、低功耗和良好的性价比等优点而被广泛使用,控制系统选用微处理器为MSP430F169,控制系统原理框图如图1所示,实物如图2所示。

2.1 运动控制模块

机器人采用轮式结构,后轮的直流电动机作为机器人的驱动电动机,采用差速转向的方法,由此形成机器人的运动控制部分。

该电动机选用12 V直流电动机,采用专用芯片L298作为电机驱动芯片。L298是双H桥高电压大电流功率集成电路,可以用来驱动2个直流电动机或步进电动机等感性负载。采用L298作为电机驱动电路,可靠性高,可以方便地控制电动机正反转。L298芯片的使能引脚与单片机相连,单片机输出PWM信号控制电动机转速,MSP430可以硬件产生PWM信号,调整PWM信号的占空比便可以轻松的实现电机的速度调节[2],行走控制电路图如图3所示。

轮式驱动试验显示:该机器人轮式驱动性能良好,达到预期要求,充分证明了该控制系统的可行性和使用性。

2.2 弹跳控制模块

燃爆式弹跳器的控制模块主要由燃气供给控制和点火控制组成。当气缸中充入一定比例的丙烷和氧化剂的混合气体,并且热火头的温度到达爆炸温度时,气体在气缸内爆炸,活塞推动地面跳起,实现弹跳过程。

选用辉盛MG995全金属齿轮13 kg大扭力舵机和气缸连接调整缸体姿态,在活塞与地面接触的瞬间仍然能够稳定工作。舵机是一种位置伺服的驱动器,调节单片机PWM信号的占空比改变舵机的运动(图4),可以方便稳定的控制气缸与地面的角度,实现合理准确地弹跳。

燃气供给部分是弹跳机构中最重要的部分之一,包括气瓶、减压阀和电磁阀。丙烷和氧化剂在高压下以液体的形式储存在气瓶中,与减压阀相连,通过设置减压阀改变充入气缸中混合气体的浓度。其中,在开始冲入燃气时需要预先扫除缸体内空气,以便获得稳定比例的混合气体,保证爆炸过程能够稳定完成。由于单片机不能直接驱动电磁阀,且要防止电磁阀的启、闭对整个控制系统的影响,因此采用光耦和功率MOS管来驱动电磁阀[3](图5)。实际使用过程中,既达到了快速通断电磁阀的目的,又避免了大功率期间对电路的影响,取得了较好的效果。

混合燃烧气体在高温下可以爆燃,为减轻机器人质量和缩小机器人的体积,选用热火头作为点火装置。点火实验表明:通电2 s后混合气体便点燃爆炸。由于热火头采用铂合金丝,电阻较小,工作电流较大,应采用单节镍铬电池或者2V的铅酸免维护电瓶供电。同样考虑到抗干扰的要求,因此通过电磁继电器实现隔离分开供电,电路如图6所示。

2.3 图像采集发送模块

图像的实时显示,一方面可以让用户实时地直观地了解道路信息,另一方面它是操作人员遥控机器人的一双。本设计选用大恒公司生产的基于高性能PCI总线的DH-QP300图像采集卡,它支持4路彩色/黑白图像数据的采集:三路为复合视频输入,一路为S-Video输入,软件切换。它支持PAL,NTSC彩色/黑白视频输入,采集频率为25 f/s,所采集图像的分辨率最高:PAL(768×576×24)bit或NTSC(640×480×24)bit。在开阔地带传输距离可以达到200 m以上,应用比较简单。图像传输实验表明:图像传输基本清晰稳定,能够完成人工远程操作。

2.4 传感器数据采集模块

该模块是除了图像采集模块外机器人感知周围环境的重要组成部分,它由4路红外测距传感器和1路高温压力传感器组成,并且预留3路传感器接口,方便以后扩展使用,整体原理框图如图7。

红外测距传感器用来测量前方障碍物以保证机器人具有良好的避障能力。本机器人使用的是南京紫光科教仪器有限公司的红外传感器,使用方便,工作稳定。通过试验测试,避障效果良好。

高温压力传感器与气缸燃烧室连接,在爆炸过程中能够采集到气缸内的压力的变化过程,并把数据储存在铁电存储器中,方便分析爆炸过程中的压力做功。

2.5 主控模块

主控模块以msp430f169[5]为核心,负责协调其余4个模块工作并通过无线模块与工作站通讯,接受工作站发出的命令,发送给相关模块,并接受其他模块的信息作相应决策。其主要部分为单片机与无线通讯模块。通信的准确性、高速性和稳定性对于机器人的稳定工作至关重要。台湾义隆公司生产的TR24B体积小,传输速率快,并且传输稳定性高,在宽阔地带通讯距离可以达到100 m。

3 控制系统软件设计

3.1 主控程序

系统软件在启动后先对各工作模块初始化设置,然后进入无线通信等待状态,并循环读取上位机控制指令。读取指令后下位机作出相应动作,主程序同时再次进入无线通信等待状态,主程序流程图如图8所示。

3.2 人机控制界面设计

在该机器人系统中,设计了一种基于VB6.0的人机交互界面,通过RS232串口,实现PC机与遥控器的通信,用户通过该人机界面来对机器人进行控制,包括机器人的运动控制、弹跳控制、数据采集和图像信息的采集等,人机界面如图9所示。

4 结语

本文设计了一种移动式弹跳机器人的控制系统,经过实验测试,该控制系统能很好地完成移动式燃爆弹跳机器人的进气、排气、点火、行走、数据采集等操作的无线遥控操作及状态的反馈。通过初步试验验证了控制系统的可行性与有效性。

将该控制系统与弹跳机器人本体相集成,该机器人与轮式移动机器人相结合,便具有很强的运动和生存能力,未来发展前景巨大。

摘要：为了提高机器人在未知环境中的运动和生存能力,设计用于燃爆式移动弹跳机器人的控制系统,以MSP430单片机为控制主体,实现弹跳驱动、行走驱动和实时采集周围环境信息等功能。试验表明:控制系统能实现机器人的弹跳和行走驱动等功能的控制。

关键词：移动机器人,弹跳机器人,控制系统

参考文献

[1]刘壮志,席文明,朱剑英.弹跳式机器人研究[J].机器人,2003,25(6):568-569.

[2]胡大可.MSP430系列超低功耗单片机原理和应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003.

[3]郭坚毅,朱剑英,王化明,等.单动发动机式弹跳机构的控制与实现[J].机械科学与技术,2009,28(1):41-44.

[4]李保江,朱剑英.弹跳式机器人研究综述[J].机械科学与技术,2005,24(7):803-807.

[5]MSP430X1XX family user's guide[OB/OL].http://focus.ti.com/lit/ds/sym link/msp430x1xx.pdf.

活络膝盖弹跳自如 篇2

A青少年在初学拉丁舞时,常常遇到不知道如何控制膝部力量的情况,膝盖僵硬,不知道如何放松,是因为收得太紧的缘故。这个问题对于从小练习舞蹈的人来说并不是很难解决,但对初学者来说不容易掌握,是由于练习较少,肌肉控制力差导致的。只要掌握方法,勤加练习就能改善。

想做到放松,首先要学会收紧,让各关节处于正确的状态,使肌肉有瞬间收紧和瞬间放松的能力。膝关节在拉丁舞中主要的作用是利于脚的移动,下面我们说说拉丁舞五支舞的膝盖是如何运动的。

伦巴舞中,膝盖是超直(特别是重心放下时),也叫“超直腿”,移动时,一条腿膝盖弯曲,两腿膝盖及以上位置夹住,由大腿、膝盖弯曲带动小腿发力向前踢直,全脚掌着地,到位之后两腿都是超直腿。

恰恰舞中,膝盖也是超直腿,在移动锁步的同时,一条腿膝盖迅速弯曲并夹住,藏在前腿膝盖后方;一条腿保持超直,后退脚掌发力迅速蹬直膝盖;另一条腿的膝盖弯曲,超出脚尖,发力蹬直,两部分同时完成。

牛仔舞中没有锁膝盖的动作,膝盖自然弯曲、自然伸直,腿部的状态在牛仔舞中并不是需要首先注意的。在练习时找对了最重要的点,很多问题就会迎韧而解。

桑巴舞中,膝盖每一次弯曲向前运动,即动作的还原。桑巴舞的弹性是由膝盖、脚踝产生,那么我们的膝盖是怎样运动的呢?利用1/2拍将膝盖下压,用另1/2拍将膝盖拉直,我们把一个拍子分成两部分,1代表一个半拍,&是第二个半拍。踩1时,膝盖弯曲,接着在&阶段才把膝盖拉直。换句话说,我们在&拍时膝盖拉直,所以一定会在1拍上做膝盖压缩。桑巴舞和牛仔舞都是利用膝盖的波浪式运动和富有弹性的松弛来体现其特性。

在跳斗牛舞时,男士必须保持一种强壮英武的姿态,脚步动作要坚实有力,膝盖要稍稍弯曲、自然放松,便于控制腿部的动作。脚法上,多使用脚掌。脚跟踮起,男女舞伴稍微靠近,所有舞步的完成都腰配合刚劲有力的手臂动作和身体的转动。发力强,收力坚决,在一刹那间停住,特别强调膝部和脚部的力量。

总而言之,拉丁舞的5支舞,风格各异,对膝盖的要求也不尽相同,只有方法得当,增加弹动练习,增强肌肉的控制能力,才能熟练掌握,收发自如。

仿蝗虫弹跳腿机构研究 篇3

随着机器人应用场合的不断扩大,人们对其环境适应能力,特别是在复杂地形下的快速移动能力的要求越来越高。地面机器人现有的移动方式多为轮式、履带式或者足式,具有很大的局限性。基于足式机器人技术,麻省理工学院机器人实验室等在1980年研制了弹跳机器人。近些年,弹跳机器人技术的研究在我国也有较大发展,南京航空航天大学、西北工业大学等研究机构均在该领域取得了较为突出的成绩。

弹跳机器人跳跃时,与地面接触的掌部对地面产生较大的冲击力后才能使机体顺利地离开地面,故弹跳机器人对整个机构的稳定性、可靠性,以及机构的动力源提出了很多苛刻的要求。现有的弹跳机构所能提供的弹跳性能极其有限,所以研究一种能够提供较高效率的弹跳机构是很有必要的。

蝗虫具有很好的弹跳能力[1],如1.5～2.0g重的蝗虫(Schistocerca gregaria)用9～11mJ的能量在30ms内能使其自身加速到3.2m/s,其最佳跳跃过程的加速度为重力加速度的19倍[2]。蝗虫在运动中所表现出的驱动能量效率是巨大的。因此,通过对蝗虫跳跃过程进行研究,并将研究成果用于跳跃机器人的开发,对促进跳跃机器人技术的发展具有重要的现实意义。余杭杞[3]研究了仿蝗虫四足跳跃机器人,建立了跳跃机器人的动力学分析模型,完成了两台实验样机的制作,进行了相关实验,样机最大跳跃高度为40mm,但与仿真结果相去甚远。

1 蝗虫跳跃腿部模型的建立

蝗虫能够起跳的关键在于后腿及其腱筋机构。英国圣安德鲁斯大学生物学院对该腿部机构进行了进一步简化。如图1a所示,斜排的肌肉推动附着在关节上的腱筋(腱筋可以在去除腿部关节一侧的表皮后看到),上侧实线代表伸肌的腱筋,下侧折线代表屈肌的腱筋,屈肌腱筋并不是直线式地拉动胫节,它是绕着腿部的一个节块机构。由图1b可见,上侧纺锥形肌肉占据了肌肉的大部分区域,当该区域的肌肉工作时,通过腱筋拉动胫节上端,使胫节绕铰链瞬间转动,从而在胫节末端产生较大的蹬力使蝗虫实现跳跃;下侧区域的肌肉工作时,仅使胫节反向转动收回,为下次跳跃作准备[4]。故实际只有一块肌肉起到了弹跳力的爆发作用,该肌肉在仿生设计中可用强弹性元件替代。

(a) (b)

根据蝗虫跳跃腿(后腿)的几何比例,并结合腿部肌肉特性对其进行三维建模,完成后的蝗虫弹跳腿三维模型如图2所示。

该模型由机体、大腿、小腿及腱筋组成,用2根连杆分别代替蝗虫弹跳腿的大腿和小腿,用弹簧储能元件代替腱筋及相应肌肉(作为力的发生件)。

该模型为二杆机构,与机体所组成的平面机构的构件数n=2;机体与大腿之间由转动副连接,大腿与小腿之间同样是由转动副连接,故低副数pL=2,高副数pH=0,整个平面机构的自由度为

p=3n-2pL-pH=2

2 仿生机构设计与分析

由于蝗虫弹跳腿三维模型具有2个自由度,故要使该弹跳机构具有稳定的运动轨迹,就需要对图2所示的模型引入2个主动动力源,然而动力源的引入必将增加机构的整体质量及控制难度。由于蝗虫在起跳过程中一般具有较为固定的运动姿态,因此可通过增加连杆数,对大腿、小腿所对应的连杆运动进行约束。根据文献[4]对跳跃过程中蝗虫的腿部运动轨迹的研究,设计出一款具有高度仿生特性四杆机构,图3a～图3d所示为生物蝗虫在起跳过程中的腿部相对轨迹姿态,图3e～图3h所示则为对应的仿生四杆机构姿态,利用连杆来约束大腿、小腿的运动轨迹,使整个机构仿真还原蝗虫跳跃过程中腿部及身体的运动状态,获得较为稳定的起跳运动轨迹。

仿真所得的四杆机构为契贝雪夫近似直线机构[5],该机构广泛运用于仿生腿型机器人[6]。为更好地符合蝗虫的仿生特性,将用于仿蝗虫弹跳腿机构的四杆比例定为1.1∶1.5∶2.0∶1.0[7]。

对该四杆机构模型建立机构学分析模型,如图4所示,整个模型简化为ABCD构成的连杆机构,机构杆LAB、LBC、LCD、LDA的长度分别为l1、l2、l3、l4,CB延长与地面交汇于E点,该杆BE段的长度为l5。DC与AB延长交汇于F点,AC两点之间为弹性元件,产生弹力f,地面在E点处对机构产生相应的支撑力N,f与N关于点F的力臂分别为t1、t2。假设机构在跳跃过程中,与地面接触的足尖无相对滑动,即将足尖与地面的接触点简化为铰链连接,腿部末端的受力方向为足尖点轨迹的切线方向。

基于该四杆机构,建立如图4所示的XY坐标系。建立ABCD四杆机构的矢量方程,其复数形式可表述为

l1exp(i φ1)+l2exp(i φ2)=l4+l3exp(i φ3) (1)

设机体的质心为S点,S点与线AD的夹角为θ,则质心相对足尖点的运动轨迹长度L为

$\begin{array}{l}L=\sqrt{l{}_{AE}^2+l{}_{AS}^2-2l{}_{AE}l{}_{AS}\cos (\frac{\text{π}-\alpha }{2}+\phi {}_1+\theta )}\\ l{}_{AE}=\sqrt{l{}_1^2+l{}_5^2-2l{}_{1}l{}_5\cos \alpha }\end{array}$

S点移动距离s为

s=L-L0 (2)

在ΔBCF中,

$\frac{l{}_2}{\sin (\phi {}_3-\phi {}_1)}=\frac{l{}_6}{\sin \alpha }=\frac{l{}_7}{\sin \beta }$

而f 、N的力臂t1、t2分别为

t1=l6sin γ (3)

$t{}_2=(l{}_1+l{}_7)\sin \frac{\text{π}-\alpha }{2}$ (4)

根据式(2)～式(4)可得t1/t2与s的函数曲线,即弹簧力与足尖力的比值曲线,即如图5a所示。

图5b为Bennet-clark研究的生物蝗虫胫节的机械效益曲线[8],即生物蝗虫胫节驱动力与足尖力的比值曲线。图5中,两曲线具有较好的趋势一致性,即在机械效益方面本机构具有较好的仿生特性。

(a)仿生机构弹簧力与足尖力的比值曲线(b)生物蝗虫胫节的机械效益曲线

3 机构力学仿生性分析

根据图4,建立仿蝗虫弹跳腿的三维力学仿真模型,将其身体质量设定为m,约束至质心点S上,建立图4所示的XY坐标系,此时的支撑力N与机体的重力和惯性力实现动力学平衡。系统的动能为

$E{}_{\text{k}}=mv{}_S^2/2+J{}_S\omega {}_S^2/2=J{}_{\text{e}}\dot{q}{}^2/2$

系统的广义力

$\begin{array}{l}F={\rm M}{}_{\text{e}}=({\rm N}v\cos \zeta +{\rm M}\omega )/\dot{q}\\ J{}_{\text{e}}\ddot{q}+\frac{1}{2}\frac{\partial J{}_{\text{e}}}{\partial q}\dot{q}{}^2={\rm M}{}_{\text{e}}(5)\end{array}$

式中,vS为机构质心的速度;JS为机构相对质心的转动惯量;ωS为机构的角速度;Je为机构的等效转动惯量;$\dot{q}$为广义速度;Me为机构的等效力矩;N为机构所受外力(支撑力);v为外力作用点速度;ζ为N与v的夹角;M为机构所受的外力矩;ω为外力矩M作用的机构的角速度。

解出质心移动距离s和支撑力N的曲线,如图6a所示。设机构在NY=0时,机体实现跳跃,此时在X方向上存在一定的推力。当机构脱离地面时,NX瞬间衰减为0,支撑力合值Ntotal=0。图6b为生物蝗虫的质心与支撑力曲线[7],通过曲线对比分析可看出,本机构在支撑力方面与生物蝗虫的相关特性具有较好的仿生学一致性。

(a)仿生机构质心移动距离和支撑力的曲线 (b)生物蝗虫输出支撑力曲线

机构做功全来自于弹性元件储存的能量,故由其推算机构所输出的功率

P=f vf (6)

式中,f为弹簧力;vf为弹簧质心的移动速度。

解出功率P关于s的函数方程,得到图7a,该曲线与生物蝗虫所输出的功率曲线[8],即图7b所示的曲线趋势一致。

(a)仿生机构质心移动距离与输出功率的曲线(b)生物蝗虫功率输出曲线

4 样机与实验

由于在起跳过程中腿部需要承受较大的冲击力,故要求仿蝗虫跳跃腿机构样机的材料具有较高的韧性和较低的密度。本实验采用3mm环氧树脂复合板作为样机材料,并选用一台小功率直流电机作为动力源,采用拉线方法实现储能,其具体实现方式参见文献[7]。完成后的实验样机基本参数如下:l1=109mm,l2=36mm,l3=72mm,l4=79.2mm,l5=109mm,m=0.34kg,弹簧刚度k=3N/mm,弹簧原长l=115mm,弹簧最大伸长量Δlmax=55mm,样机展长24cm,体宽9cm,体高13cm。图8为仿真模型在仿真运算过程中的截图,图9为样机做弹跳实验时的照片。

实验中,本机构实现了跳跃高度20cm,跳跃距离80cm,验证了本机构设计的可行,机构姿态仿生性良好。

5 结论

(1)采用四杆机构模拟蝗虫的弹跳腿具有较好的机构学仿生特性。

(2)本文建立了三维仿真分析模型,并进行了仿生力学分析,验证了本设计在力学上所具备的仿生特性。

(3)通过原理样机验证了模型设计的合理性,样机具有较好的弹跳性能,跳跃高度可达20cm,跳跃距离可达80cm。

参考文献

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[2]陈勇,陈东辉,佟金,等.仿蝗虫机器人跳跃机理的实验研究及运动形态的三维动态仿真[EB/OL].(2006-06-13).http://www.paper.edu.cn/index.php/default/releasepaper/content/200606-239.

[3]余杭杞.仿蝗虫四足跳跃机器人的机构设计和运动性能分析[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2005.

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[5]徐灏.机械设计手册[M].北京:机械工业出版社,1991.

[6]Raibert M H.Legged Robots that Balance[M].MA:The MIT Press,1985.

[7]陈东良,吴磊,王立权,等.仿生蝗虫跳跃机器人:中国,200710072236.6[P].2009-4-29.