什么是仿生機(jī)器人

　　“仿生機(jī)器人”是指模仿生物、從事生物特點工作的機(jī)器人。目前在西方國家，機(jī)械寵物十分流行，另外，仿麻雀機(jī)器人可以擔(dān)任環(huán)境監(jiān)測的任務(wù)，具有廣闊的開發(fā)前景。二十一世紀(jì)人類將進(jìn)入老齡化社會，發(fā)展“仿人機(jī)器人”將彌補年輕勞動力的嚴(yán)重不足，解決老齡化社會的家庭服務(wù)和醫(yī)療等社會問題，并能開辟新的產(chǎn)業(yè)，創(chuàng)造新的就業(yè)機(jī)會?！?/p>

　　仿生青蛙機(jī)器人設(shè)計

　　青蛙跳躍具有爆發(fā)性強、距離遠(yuǎn)的特點，能夠輕松越過障礙，并且具有很好的環(huán)境適應(yīng)性。其生物體結(jié)構(gòu)和行為方式合理、靈活、高效?；趯η嗤苌锾卣骱吞S運動機(jī)理的分析，對于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，提出了一種面向跳躍運動的機(jī)構(gòu)模型，并進(jìn)行仿生青蛙的設(shè)計。

　　1.研究背景及意義

　　1.1國外研究水平

　　加拿大麥吉爾大學(xué)分析了柔性機(jī)器人的控制算法，模仿動物利用肌肉、腱等彈性儲能元素來降低耗能，研制了具有柔性髖關(guān)節(jié)和腿的單腿跳躍機(jī)器人，跳躍速度可達(dá)1.25m/s,而驅(qū)動功率僅48W。

　　美國斯擔(dān)福大學(xué)和俄亥俄州大學(xué)合作，通過研究各種動物奔跑的運動步態(tài)和動力學(xué)特性，以動物運動時耗能小，腿部彈性儲能和低慣量為目標(biāo)，研制出了一種機(jī)器人。

　　日本東京工業(yè)大學(xué)科學(xué)家通過分析貓在爬墻過程中，仿造其半身的結(jié)構(gòu)，研制了一種機(jī)器貓，其跳躍動作不追求運動中整體達(dá)到的高度，而是像貓那樣通過四肢的協(xié)調(diào)動作越過障礙物。

　　1.2國內(nèi)研究水平

　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)通過分析蝗蟲起跳的運動原理，對生物模型進(jìn)行簡化，建立了機(jī)器人理論模型，并從運動學(xué)和動力學(xué)進(jìn)行分析，最終設(shè)計了二套分別基于電機(jī)和電磁鐵驅(qū)動的樣機(jī)，并進(jìn)行了實驗研究。

　　上海交大模仿人體下肢設(shè)計了關(guān)節(jié)彈性步行機(jī)構(gòu)。他們在機(jī)器人的小腿中安置了彈性裝置，通過四組并聯(lián)彈性元件和機(jī)器人腿外殼為機(jī)架的四連桿機(jī)構(gòu)的復(fù)合，使機(jī)構(gòu)產(chǎn)生了緩沖，儲能效果。

　　西北工業(yè)大學(xué)分析了袋鼠的生物形態(tài)和運動機(jī)理，提出了具有柔性腳趾的仿生袋鼠機(jī)器人機(jī)構(gòu)模型，對機(jī)器人著地和騰空的兩個階段進(jìn)行了運動學(xué)及動力學(xué)分析，并研究了全跳躍周期關(guān)節(jié)空間的軌跡規(guī)劃，為袋鼠機(jī)器人的實現(xiàn)，解決其跳躍、彈跳動力等關(guān)鍵技術(shù)奠定了理論基礎(chǔ)。

　　1.3常規(guī)跳躍機(jī)器人

　　麻省理工學(xué)院腿實驗室的Raibert教授于1980年研制了世界上第一個以連續(xù)跳躍方式運動的單腿機(jī)器人，機(jī)器人的運動被限制在一個平面內(nèi)，腿部裝有氣缸，作用相當(dāng)于彈簧，因此它在地面上的運動類似于一個帶彈簧的倒立擺角。其基本運動模型如圖所示，機(jī)構(gòu)有一個X方向的平移自由度以及足部和軀體之間的旋轉(zhuǎn)自由度e，其跳躍與落地過程經(jīng)過運動學(xué)與動力學(xué)分析和計算后，只要按規(guī)律外加控制就可保持連續(xù)穩(wěn)定的跳躍運動，M.H.Raibert專門著書論述了這一模型。此外，很多學(xué)者從各個角度對類似機(jī)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)學(xué)分析與仿真。目前對Raibert跳躍模型的研究集中于如何對這種非完整約束系統(tǒng)進(jìn)行平衡控制上。

　　1.4一般青蛙機(jī)器人

　　美國麻省理工學(xué)院Raibert教授等人研制了多種仿生步行或爬行機(jī)器人。其中有兩種可跳躍前進(jìn)的腿型機(jī)器人。一種是二維跳躍機(jī)器人Uniroo}42}，其腿部結(jié)構(gòu)類似于袋鼠的后肢，如圖所示。機(jī)器人共有四個關(guān)節(jié)，即尾關(guān)節(jié)、骸關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踩關(guān)節(jié)，它們分別由四個液壓缸驅(qū)動并控制實現(xiàn)系統(tǒng)的跳躍及平衡，側(cè)向借助連接在地面上的桿件保持穩(wěn)定。另一種是三維跳躍機(jī)器人3DB1peCl}43,44]，如圖1-12所示。其骸關(guān)節(jié)具有兩個自由度，腿部長度由氣缸控制。機(jī)器人單腿動態(tài)平衡控制系統(tǒng)由三部分組成:一部分控制機(jī)構(gòu)的前進(jìn)速度，一部分控制機(jī)體與金屬腿之間的角度，另一部分控制彈跳高度。該機(jī)器人具有很好的平衡性和運動穩(wěn)定性，能夠?qū)崿F(xiàn)跑、跳、甚至空翻等動作。

　　1.5意義

　　當(dāng)今世界，科技發(fā)展水平日益進(jìn)步，機(jī)器人研究領(lǐng)域已經(jīng)向航空航天、水面水下、地下管道等環(huán)境發(fā)展，未來的機(jī)器人將在人類無法工作的環(huán)境中代替人類工作，人們要求機(jī)器人不僅適應(yīng)原來的基本要求，還要適應(yīng)未知的環(huán)境，這就對機(jī)器人的運動靈活性、適應(yīng)性、生存能力很高。

　　移動性能是未來機(jī)器人在許多場合的關(guān)鍵能力，為了完成任務(wù)，常常要求機(jī)器人能夠到人們無法進(jìn)入的禁區(qū)進(jìn)行偵查、探測，、攻擊，、干擾等行動。我們設(shè)計的仿生青蛙，運用了跳躍的運動方式，能夠適應(yīng)不同地表，實現(xiàn)跨越溝渠和障礙，活動范圍廣，躲避風(fēng)險能力和生存能力強，擁有極強的移動能力，因此能夠代替人們到達(dá)不可預(yù)測的環(huán)境中進(jìn)行各種活動，完成任務(wù)。

　　青蛙跳躍具有爆發(fā)性強、距離遠(yuǎn)的特點，能夠輕松越過障礙，并且具有很好的環(huán)境適應(yīng)性。其生物體結(jié)構(gòu)和行為方式合理、靈活、高效?；趯η嗤苌锾卣骱吞S運動機(jī)理的分析，對于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，提出了一種面向跳躍運動的機(jī)構(gòu)模型，并進(jìn)行仿生青蛙的設(shè)計。青蛙前肢簡化為一個主動肩關(guān)節(jié)和一個被動肘關(guān)節(jié)，從而實現(xiàn)其著路支撐緩沖和姿態(tài)調(diào)整的功能。后肢采用五桿機(jī)構(gòu)作為腿部主體，并增加腳掌以保證其穩(wěn)定性。后肢通過電機(jī)控制實現(xiàn)跳躍動作，具有較大的可行性，后肢五桿機(jī)構(gòu)具有與青蛙跳躍時相識的力學(xué)規(guī)律，從而實現(xiàn)很好的跳躍功能。