毕业设计—开题报告(董辰飞)

2020-01-1502:21:27 发表评论
摘要毕业设计—开题报告董辰飞rn__本科生毕业论文(设计)__文献综述和开题报告____题目仿蝗虫跳跃机器人结构设计及其运动学与动力学分析____姓名与学号董辰飞3070801085____指导教师____年级与专业____所在学系__一、题目__二、指导教师对文献综述和开题报告的具体内容要求:____文献综述报告要求:__按照毕业设计任务书的有关要求和研究内容,对国内外有关跳跃机器人优势、跳跃机器人工作机理、跳跃机器人的跳跃结构类型等方面的文献资料进行认真查阅,了解国内外的相关研究现状,要求阅读20篇以上文献资料,其中,要对1篇英文文献进行翻译,要求字数在4000字以上,最后,完成文献综述报告的撰写工作和答辩工作。____开题报告要求:__在广泛阅读国内外相关文献资料的基础上,根据毕业设计任务书的有关要求和主要研究内容,认真完成毕业设计开题报告的撰写工作,开题报告应包括毕业设计论文的研究意义、国内外相关研究现状、论文的主要研究内容、研究方案和可行性、具体的研究计划和时间安排等部分内容,在此基础上,完成开题报告的答辩工作。____指导教师(签名)__年月日____目录__一、文献综述4__1跳跃理论优势4__11尺度效应4__12弗劳德系数5__2国内外研究现状7__21国外研究现状7__22国内研究现状8__3弹跳机器人的弹跳机构及几种动力学模型分类8__31钟摆型机构及钟摆动力学模型9__32弹射型9__33混合型13__4跳跃机器人的动力及稳定性控制14__5应用前景14__6参考文献15__二、开题报告:16__1背景16__2调研报告16__21跳跃理论优势16__22现有跳跃运力学模型及分析18__3研究内容22__31蝗虫跳跃机理22__23基于蝗虫杠杆的弹射跳跃运动机理的结构设计24__24电机的选型25__25对跳跃机器人进行动力学分析25__3研究方案26__4进度表26__5目前进展27__三、译文及原稿28__译文题目可控微型跳跃机器人28__可控微型跳跃机器人28__1简介28__2设计方法31__21跳跃机构32__22复位机构33__23操纵机构34__3实施36__31跳跃机构37__32复位机构38__33操纵机构39__34集成39__35跳跃参数的调整42__4结果43__41笼子的成本43__42起跳参数的调整44__43障碍情况下的行进45__5总结46__6结论47__参考文献:47文献原文__一、文献综述__仿生学(bionics)是上世纪60年代兴起的一门学科,以昆虫为对象的仿生学研究和应用一直是国内外的研究热点之一。近年来,随着仿生机器人技术的发展,模仿动物的肢体或按动物跳跃运动机理设计的仿生弹跳机构日益受到人们的关注。跳跃运动可以越过数倍于自身的障碍物,若与原有运动方式(如轮式机构)结合可以大大提高机器人的活动空间与自主性,且易于微型化,活动能力更强,在考古、反恐、战场侦察等领域有着广阔的应用前景。在外星际探测中,月球与火星表面的重力加速度大大低于地球(火星38,月球17)。因此,跳跃机构在这种低重力的外星际探索中极具优势,早在1969年美国就提出了研制弹跳机构用于月球探测。__1跳跃理论优势__11尺度效应__自然界各物种体积差别很大。因此在研究对比动物运动中以每秒移动单位身长数作为衡量速度的标准更为科学。以此为标准自然界中速度最快的是北美地区的更格卢鼠。通过双脚跳跃移动速度能达到80身长/s。__设跳跃机器人足长为l,机器人外形尺寸与足长成一定比例关系,记为:__d∝l__可推得:__mg∝l__设机器人足的最大屈服应力为:112,336(1)__Fmax。__即为机器人足与接触面间的最大受力。该力与接触面积即l成正比,记为:__Fmax∝l2,2__与1式联立可得:__Fmax1__mg∝l136__由2式可推得,当体积缩小时,体积相关的力如重力较面积相关的力如表面接触力减小更快,这造成了最大输出力与自身重力比即起跳时的最大加速度的不同。从表1的生物学统计数据可以亦看出这一趋势。因此无论是自然界中的小体型动物还是人造小型机器人。采用跳跃方式比大型动物/机器人有更高的效率和优势。__12弗劳德系数__在讨论跳跃的优劣中有必要引入弗劳德系数,定义如下:__v2__Frgl(3)__式中:g为重力加速度;V为水平向前速度;l为质心到支撑点长度(实际中可以理解为机器人或动物的足长)。在跳跃物与地面接触阶段,弗劳德系数可理解为向心力和重力之比,理论上Fr超过1时,支撑足产生的向心力超过重力,所支撑的物体将腾空。弗莱德系数亦可被理解为动能和势能之比,通过实际观测,当Fr超过04时,动物步态从爬行转为奔跑,当Fr逐步增大超过1后,重力作用无法抵消动能,每次跳跃长度和高度将增加,腾空时间进一步增加,步态从奔跑逐渐向跳跃转变。假设物体1与2有以下关系:__l1l2__t1t2__F1F2(4)__式中:li、ti与Fi分别为1、2两物体的长度、受力时间和所受外力,mi、vi、ai分别为两物体质量、速度和加速度,存在以下比例关系:__li__mi∝li3,ai∝ti2(i=1_2)(5)__5式结合牛顿第二定理可推导得:__4__12__2m1v12m2v2l1F1l2F26____在跳跃运动中,重力为物体主要受力,因此(6)式可表示为__2v12v2l1gl2g(7)__由此可见跳跳跃的产生不仅由速度决定。与质心到支撑点长度也有关系。可以通过缩短长度提高弗劳德系数,以达到跳跃状态。随着外形尺寸的缩小,跳跃长度会增加,这与动物观测结果相同,体型更小的动物跳跃单位身长更长。__表1各型生物最大输出力与自身重力比__生物种类__人__更格卢鼠__蚱蜢__跳蚤__沫蝉__最大输出力重力3813135400__2国内外研究现状__21国外研究现状__明尼苏达大学的机器人中心的Stoeter与2002年研制了一个重200克的利用卷在它的身体周围的弹簧来跳跃的轮式系统(图1)。机器人在跳跃前被转动来确保朝确定的方向行进。____图1楼梯跳跃机器人__意大利圣安娜高等研究学院CRIM实验室Dario教授领导的课题组于2006年研制了Grillo微型跳跃机器人图2。采用4根弹簧作为保持稳定的前足,带有弹簧驱动器的后足提供弹跳动力。整体重量仅15g,前进速度可达1.5ms。____图2Grillo微型跳跃机器人结构__巴黎高等联邦理工学院的智能系统实验室Jean-ChristopheZufferey教授领导的课题组于2010年研制了笼式EPFL跳跃机器人(图3)采用四杆腿部跳跃机构并能完__成跳跃、依靠重力及外部笼来复位、调节跳跃角并重新起跳的全过程,重14g、高18厘米,最大跳跃高度可达62厘米。____图3笼式EPFL跳跃机器人__22国内研究现状__国内诸多高校也对跳跃机器人展开了一定的研究。南京航空航天大学研制了具有跳跃能力的轮式移动机器人,采用六连杆式蓄能机构。通过电机旋转压缩和释放实现跳跃还装有前轮角度调节电机实现0°~90°之间不同的起跳角度。哈尔滨工业大学做了仿青蛙跳跃机器人的运动学研究。西北工业大学根据袋鼠跳跃做了多刚体及多刚体添加柔性单元的模型建立与分析。上海交通大学的杨绘宇等人进行了仿蝗虫跳跃机器人起跳过程运动学建模及分析,该模型抽象为平面刚性连杆机构,采用机器人运动学分析的D-H法,建立了各构件之间的运动学关系。__3弹跳机器人的弹跳机构及几种动力学模型分类__目前实际弹跳机构构造有两类方法,一类是从自然界生物的弹跳动作中获得启发,进行仿造,称为仿生弹跳机构.如机械蟋蟀与机械猫等。__另一类方式是利用简单机构产生弹力,这种方法机构自由度少,动力学模型简单,__实现相对容易.根据能量积累方式的不同可分为钟摆型、弹射型、混合型等。__31钟摆型机构及钟摆动力学模型__人在跳跃过程中,手臂摆动方向与腿部弹跳方向相反.手臂运动类似于钟摆运动.依靠关节臂摆动产生的离心力实现弹跳,称为钟摆型弹跳机.通过研究钟摆型弹跳机可以确定手臂摆动在弹跳过程中所起的作用.__根据钟摆原理,采用多个摆动关节设计的跳跃机可以进行弹跳、控制方向、上下楼梯等动作.但是这种机构中离心力不是瞬问释放,其能量部分推动弹跳,而且着陆过程中的能量无法被下一次弹跳所利用,在有限能量供应的自主系统中将大大缩减持续运行时间.因此钟摆机构一般只能作为弹跳运动的辅助方式或用于弹跳机构空中姿态平衡.____钟摆型跳跃机构__32弹射型__将上端固定有质量块的弹簧压紧,然后突然松开,在弹力的推动下弹簧与质量块会弹到空中,这就是现在大多数弹跳机构的原型,这种机构一般由电机、弹性体与锁定/触发装置构成.电机通过某种运动转换机构压紧弹簧;弹性体是机构能量存储部件;小而轻的触发装置控制弹性体瞬间释放能量.__这种弹射机构将能量缓慢积累至一定程度然后瞬间释放,完成弹跳动作.较其它方式能量利用效率高.但其运动是间歇性的,每次弹跳需要一段时间积累能量,因而不够灵活.____单足弹跳机构(简化图)__321单质量弹簧模型__西北工业大学的葛文杰、夏旭峰进行了基于弹簧—质量模型的仿袋鼠跳跃机器人步态稳定性研究。____跳跃弹簧单质量模型__北京航空航天大学_对单足跳跃机器人进行运动学分析_建立了机器人在着地阶段和腾空阶段的动力学模型。____单足跳跃模型__

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