基于弹尾虫运动机制的平衡轮式跳跃机器人的设计

doi:10.3901/JME.2020.17.020

机械工程学报 ›› 2020, Vol. 56 ›› Issue (17): 20-28.doi: 10.3901/JME.2020.17.020

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基于弹尾虫运动机制的平衡轮式跳跃机器人的设计

陈子明^1,2, 卢杰^1,2, 邓朋^1,2, 郭玉^1,2, 李艳文^1,2

1. 燕山大学河北省并联机器人与机电系统实验室秦皇岛 066004;
2. 燕山大学机械工程学院秦皇岛 066004

收稿日期:2019-10-11 修回日期:2020-01-15 出版日期:2020-09-05 发布日期:2020-10-19
通讯作者: 李艳文(通信作者),女,1966年出生,博士,教授。主要研究方向为机器人技术及应用。E-mail:ywl@ysu.edu.cn
作者简介:陈子明,男,1984年出生,博士,副教授。主要研究方向为空间少自由度并联机构的设计和分析理论。E-mail:chenzm@ysu.edu.cn;卢杰,男,1994年出生,硕士研究生。主要研究方向为跳跃机器人。E-mail:lujie1994@foxmail.com;邓朋,男,1993年出生,硕士研究生。主要研究方向为并联机器人的标定技术研究。E-mail:dengp0927@foxmail.com;郭玉,男,1995年出生,硕士研究生。主要研究方向为机器人运动控制。E-mail:gajade@foxmail.com
基金资助:
国家自然科学基金（51775474）和河北省重点研发计划（19221909D）资助项目。

Design of Balanced Wheeled Jumping Robot Based on the Motion Mechanism of Springtail

CHEN Ziming^1,2, LU Jie^1,2, DENG Peng^1,2, GUO Yu^1,2, LI Yanwen^1,2

1. Hebei Provincial Key Laboratory of Parallel Robot and Mechatronic System, Yanshan University, Qinhuangdao 066004;
2. School of Mechanical Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao 066004

Received:2019-10-11 Revised:2020-01-15 Online:2020-09-05 Published:2020-10-19

摘要/Abstract

摘要： 针对弹尾虫的生物体结构与运动特性，复合轮式与跳跃运动设计了一种新型跳跃机器人。利用弹尾虫独特的跳跃运动机制设计了跳跃原理结构，并使用拉格朗日法完成跳跃原理结构着地起跳、腾空阶段动力学方程的构建与仿真，分析并验证了跳跃过程及跳跃原理的可行性。通过轮式结构的复合设计，使得机器人具备平衡轮式移动特性，展现跳跃原理结构的可移植性。搭建机器人控制系统，使用3D打印技术完成样机制作，最终设计机器人长15 cm、宽9.5 cm、高7.5 cm，整体重268.6 g。试验测试表明，机器人具备快速连续运动性能，1 s内完成能量蓄积与释放，0.5 s内实现姿态复位；具备多运动模式，可实现高20 cm、远15 cm的跳跃动作，同时可完成跳跃后的姿态复位，平衡轮式移动以及传统平衡小车难以实现的倒地后自主平衡复位。

关键词: 弹尾虫, 跳跃机器人, 动力学, 平衡轮, 自复位

Abstract: A new type of jumping robot is designed according to the biological structure and motion characteristics of the springtail, combined with wheel and jumping motion. The principlem echanism of jumping is designed by imitating the unique jumping mechanism of the springtail, and the dynamics equation of jumping mechanism in take-off and flight phase are built by Lagrange method and the model is simulated to verify the feasibility of the jumping principle. Through the composite design of wheel structure, the robot has the characteristics of balanced wheel movement, which reflects the portability of jumping mechanism. The robot control system was built, and the prototype was made by using 3D printing technology. The overall length, width, height and weight of the system were 15 cm, 9.5 cm, 7.5 cm and 268.6 g respectively. Experiments show that the robot has fast and continuous motion performance, energy storage and release can be completed in 1 s, and posture reset can be achieved in 1.5 s. With multi-motion mode, it can achieve the jump action of 20 cm high and 15 cm far, at the same time, it can complete the posture reset after jumping, balance wheeled movement, and self-balancing reset after falling down which is difficult to achieve by traditional balance car.

Key words: springtail, jumping robot, dynamics, balancing wheel, self-righting

中图分类号:

TP242

陈子明, 卢杰, 邓朋, 郭玉, 李艳文. 基于弹尾虫运动机制的平衡轮式跳跃机器人的设计[J]. 机械工程学报, 2020, 56(17): 20-28.

CHEN Ziming, LU Jie, DENG Peng, GUO Yu, LI Yanwen. Design of Balanced Wheeled Jumping Robot Based on the Motion Mechanism of Springtail[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2020, 56(17): 20-28.

参考文献

[1] 莫小娟,葛文杰,赵东来,等. 微小型跳跃机器人研究现状综述[J]. 机械工程学报,2019,55(15):109-123. MO Xiaojuan,GE Wenjie,ZHAO Donglai,et al. Re-view:Research status of miniature jumping robot[J]. Journal of Mechanical Engineering,2019,55(15):109-123.
[2] ZAITSEV V,GVIRSMAN O,BEN H U,et al. A locust-inspired miniature jumping robot[J]. Bioinspir Biomim,2015,10(6):066012.
[3] JUNG G P,CHO K J. Froghopper-inspired direction changing concept for miniature jumping robots[J]. Bioinspir Biomim,2016,11(5):056015.
[4] HALDANE D W,PLECNIK M M,YIM J K,et al. Robotic vertical jumping agility via series-elastic power modulation[J]. Science Robotics,2016,1(1):eaag2048.
[5] LI S,RUS D. JelloCube:A continuously jumping robot with soft body[J]. IEEE/ASME Transactions on Mecha-tronics,2019,24(2):447-458.
[6] 陈殿生,郑万军,黄宇,等. 弹跳机器人翻转机构的设计与优化[J]. 机械工程学报,2011,47(1):17-23. CHEN Diansheng,ZHENG Wanjun,HUANG Yu,et al. The design and optimization of a hopping robot's tipping mechanism[J]. Journal of Mechanical Engineering,2011,47(1):17-23.
[7] ZHANG J,SONG G,LI Y,et al. A bio-inspired jumping robot:Modeling,simulation,design,and experimental results[J]. Mechatronics,2013,23(8):1123-1140.
[8] 张小飞,张延恒,孙汉旭,等. 可跳跃式两轮机器人的设计与动力学分析[J]. 机器人,2014,36(3):355-361. ZHANG Xiaofei,ZHANG Yanheng,SUN Hanxu,et al. Design and dynamics analysis of a two-wheel robot with hopping ability[J]. Robot,2014,36(3):355-361.
[9] 鲍延年,蒋海义,罗天洪,等. 折叠翼弹跳机器人机构设计及运动性能分析[J]. 机器人,2019,41(2):175-184. BAO Yannian,JIANG Haiyi,LUO Tianhong,et al. Mechanism design and locomotion performance analysis of the foldable-wing jumping robot[J]. Robot,2019,41(2):175-184.
[10] 毕役. 新发现的弹尾虫[J]. 百科知识,2013(19):31. BI Yi. Newly discovered bullettail[J]. Encyclopedic Knowledge,2013(19):31.
[11] SUDO S,SHIONO M,KAINUMA T,et al. Observations on the springtail leaping organ and jumping mechanism worked by a spring[J]. Journal of Aero Aqua Bio-mechanisms,2013,3(1):92-96.
[12] SUDO S,KAINUMA T,YANO T,et al. Jumps of water springtail and morphology of the jumping organ[J]. Journal of the Japanese Society for Experimental Me-chanics,2015,15:s117-s124.
[13] 张军. 仿蝗虫弹跳机器人运动机理与控制方法研究[D].南京:东南大学,2013. ZHANG Jun. Research on motion mechanism and control method of locust-like bounce robot[D]. Nanjing:Southeast University,2013.
[14] YU D,DING Y,MA Y. Revision of Tomocerus similis Chen & Ma,with discussion of the kinoshitai complex and the distal tibiotarsal chaetae in Tomocerinae (Colle-mbola,Tomoceridae)[J]. Zootaxa,2017,4268(3):395-410.
[15] ZHAO J,XU J,GAO B,et al. MSU jumper:A single-motor-actuated miniature steerable jumping robot[J]. IEEE Transactions on Robotics,2013,29(3):602-614.

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Design of Balanced Wheeled Jumping Robot Based on the Motion Mechanism of Springtail

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[1]	崔歆, 李长河, 张彦彬, 杨敏, 周宗明, 刘波, 王春锦. 磁力牵引纳米润滑剂微量润滑磨削力模型与验证[J]. 机械工程学报, 2024, 60(9): 323-337.
[2]	张行, 富宽, 陈铭浩, 李睿, 石新娜. 压差式多节串联管道机器人越障时动力学演化规律及减振分析[J]. 机械工程学报, 2024, 60(8): 348-359.
[3]	畅博彦, 韩芳孝, 周杨, 金国光. 面向精梳任务的高速变胞机构冲击动力学研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(7): 54-65.
[4]	张俊, 吴成阳, 方汉良, 孙载超, 王凯龙, 汤腾飞. Z4型冗余驱动并联操作器的驱动特性研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(7): 66-78.
[5]	商德勇, 黄欣怡, 黄云山, 张天佑. 基于Kane方程的Delta并联机器人刚柔耦合动力学研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(7): 124-133.
[6]	杨炜烽, 刘检华, 吕乃静, 马江涛. 基于位置动力学的线缆运动过程仿真方法[J]. 机械工程学报, 2024, 60(6): 21-31,57.
[7]	水有富, 刘金祥, 黄渭清, 左正兴, 周海涛, 白文君. 发动机气缸盖用铸造Al-Si合金腐蚀动力学研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(6): 261-270.
[8]	陈清华, 杨云帆, 閤鑫, 凌亮, 王开云. 基于电磁力作用的地铁列车防滑控制研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(6): 334-341.
[9]	蔡腾飞, 潘岩, 王啸林, 马飞, 祝启恒, 韩健. 自振空化射流冲蚀模式与机制研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(6): 378-385.
[10]	张风利, 张荣荣, 罗秋丽, 张亚东, 李兵, 郭慧. 某SUV镂空扰流板气动噪声机理分析及降噪研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(6): 398-408.
[11]	周祖意, 杨玉维, 齐文耀, 龚健超, 李照童. 腰部外骨骼机器人多刚-柔体动力学等效逆解方法研究及其性能优化综合[J]. 机械工程学报, 2024, 60(5): 107-118.
[12]	华东鹏, 周青, 王婉, 李硕, 王志军, 王海丰. 碳化硅纳米抛光亚表面损伤机理的分子动力学模拟[J]. 机械工程学报, 2024, 60(5): 231-240.
[13]	周宁, 姚建勇, 邓文翔. 基于神经网络的比例伺服阀阀芯液动力补偿鲁棒智能控制[J]. 机械工程学报, 2024, 60(4): 126-133.
[14]	潘鑫, 张馨, 卢加乔, 吴海琦. 基于超声电机精稳调控的转子不平衡自愈执行装置设计与试验研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(4): 449-457.
[15]	王思清, 滕伟, 王罗, 刘宇, 彭迪康, 马志勇, 柳亦兵. 水平轴风电机组叶片摆振与挥舞机理建模[J]. 机械工程学报, 2024, 60(3): 131-142.