李 龍，葛澤宇，田應(yīng)仲，張 泉

(1. 上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 201900；2. 上海市智能制造及機(jī)器人重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201900；3. 上海大學(xué)人工智能研究院，上海 201900)

0 引 言

隨著人類對(duì)太空探索的逐步深入，大量航天器被送入太空軌道。當(dāng)這些航天器由于各種復(fù)雜的原因發(fā)生故障或損壞時(shí)，需要利用小型的緩沖器附著在航天器的表面對(duì)其進(jìn)行故障診斷、故障維修、故障監(jiān)控或通信檢查等。高速運(yùn)動(dòng)的小型緩沖器接觸到目標(biāo)航天器時(shí)會(huì)不可避免地發(fā)生回彈現(xiàn)象，因此如何研制出一種可靠性高、緩沖性能好且具有粘附性能的空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)已迫在眉睫。同時(shí)，傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)已經(jīng)無法滿足日益深入的深空探索需要，而隨著仿生機(jī)器人的日漸成熟，將仿生機(jī)構(gòu)應(yīng)用于太空環(huán)境中是未來深空探索的趨勢(shì)。

針對(duì)仿生緩沖機(jī)構(gòu)，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者都開展過相關(guān)研究。早在21世紀(jì)初期，早稻田大學(xué)Hyon等[1]設(shè)計(jì)了一種仿狗后腿的單腿彈跳機(jī)器人“Kenken”，它通過彈簧將機(jī)器人跳躍的動(dòng)能轉(zhuǎn)變成彈性勢(shì)能，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)能的吸收和自身的緩沖；美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)Palmer等[2]設(shè)計(jì)出一種仿生四腿機(jī)器人“Kolt”，其腿部包括大腿、小腿、彈簧和連桿四部分，該機(jī)構(gòu)成功實(shí)現(xiàn)了前進(jìn)時(shí)受到較小的沖擊，儲(chǔ)存了部分能量，并且降低了慣性力。到2011年，美國(guó)密執(zhí)安州立大學(xué)Zhao等[3]設(shè)計(jì)出一款仿生彈跳機(jī)器人，該機(jī)構(gòu)有三條腿，實(shí)現(xiàn)緩沖功能的是一條跳躍腿，另外兩條腿是支撐輔助腿，輔助腿的作用是為了防止機(jī)構(gòu)著陸時(shí)發(fā)生側(cè)翻。國(guó)內(nèi)方面，2013年北京航空航天大學(xué)的陳殿生團(tuán)隊(duì)[4]，根據(jù)蝗蟲的生理特征和運(yùn)動(dòng)特性，研制出一種仿蝗蟲跳躍機(jī)構(gòu)。其腿部由柔性連桿、彈簧、關(guān)節(jié)和機(jī)體組成。該團(tuán)體對(duì)此機(jī)構(gòu)建立了動(dòng)力學(xué)模型，并進(jìn)行了理論分析[5]，同時(shí)利用腿桿抗沖擊法和能量分配法對(duì)此機(jī)構(gòu)著陸緩沖時(shí)的腿部能量進(jìn)行分配[6]，最終得到此機(jī)構(gòu)的著陸姿態(tài)和腿部能量分配關(guān)系的模型[7]。2016年，上海交通大學(xué)趙言正團(tuán)隊(duì)[8]研制出一種仿昆蟲六足爬壁機(jī)器人，該機(jī)器人6條腿徑向?qū)ΨQ，每條腿上有3個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)，并配備了吸盤、電磁閥以及真空泵用于機(jī)器人的吸附運(yùn)動(dòng)。2017年，南京航空航天大學(xué)的楊斌[9]設(shè)計(jì)了一種空間仿壁虎機(jī)器人，該機(jī)器人利用三維傳感器定量分析仿壁虎機(jī)器人的姿態(tài)并對(duì)其進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，在機(jī)器人的足墊出黏附基底材料以增加腿部的黏附力，但沒有對(duì)機(jī)器人的緩沖能力和動(dòng)力學(xué)進(jìn)行建模分析。

針對(duì)空間機(jī)器人碰撞方面，清華大學(xué)郭聞昊等[10]對(duì)空間機(jī)器人抓捕目標(biāo)星的碰撞進(jìn)行研究，并利用粒子群算法對(duì)機(jī)器人構(gòu)型進(jìn)行了優(yōu)化；南京航空航天大學(xué)岳帥等[11]設(shè)計(jì)了一種油液-鋁蜂窩緩沖器，以翻倒極限著陸工況為基礎(chǔ)重點(diǎn)研究了多級(jí)緩沖器緩沖參數(shù)對(duì)著陸穩(wěn)定性能的影響，實(shí)現(xiàn)了較好的著陸器緩沖性能；之后，賈山等[12]提出了一種緩沖/行走一體化六足著陸器，重點(diǎn)對(duì)其運(yùn)動(dòng)學(xué)和步態(tài)進(jìn)行了規(guī)劃研究，設(shè)計(jì)出了較好的步態(tài)。

對(duì)上述文獻(xiàn)分析發(fā)現(xiàn)，文獻(xiàn)[1-3]其研究的重點(diǎn)在于機(jī)器人的起跳、緩沖能的釋放與回收以及腿部的減震效果，而對(duì)機(jī)器人的緩沖及吸附過程未涉及過多的研究。而文獻(xiàn)[4-7]重點(diǎn)研究的是機(jī)器人或仿生機(jī)構(gòu)的緩沖性能，并沒有實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物表面的黏附功能。文獻(xiàn)[8-9]重點(diǎn)研究的是機(jī)器人的吸附狀態(tài)，分別使用了吸盤和黏附基地材料增加吸附性能，但對(duì)于仿生機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)理論尚未做分析。文獻(xiàn)[10-11]的研究重點(diǎn)在于利用算法和鋁蜂窩材料實(shí)現(xiàn)緩沖作用，而對(duì)于應(yīng)用機(jī)械腿式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)緩沖未做研究。文獻(xiàn)[12]重點(diǎn)研究的是著陸器的運(yùn)動(dòng)學(xué)和步態(tài)分析，而對(duì)于著陸器著陸緩沖的關(guān)鍵動(dòng)力學(xué)分析未進(jìn)行介紹與研究。

本文將以蝗蟲的生理結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)特征為靈感，設(shè)計(jì)一種仿蝗蟲腿的空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)；并對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析和簡(jiǎn)化模型后的碰撞動(dòng)力學(xué)分析；最后結(jié)合機(jī)構(gòu)實(shí)際緩沖狀態(tài)求得其關(guān)鍵緩沖參數(shù)，從而有效減小機(jī)構(gòu)所受碰撞力且保證其不發(fā)生回彈。

1 空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)模型的建立

1.1 蝗蟲結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)機(jī)理

蝗蟲的后腿較為發(fā)達(dá)，其彈跳運(yùn)動(dòng)和著陸緩沖主要依賴于后腿。如圖1所示，蝗蟲的后腿由脛節(jié)、關(guān)節(jié)、伸肌鍵、股節(jié)、曲肌腱、伸肌和曲肌共七部分組成。脛節(jié)和股節(jié)由轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)連接，并通過股節(jié)肌肉與軀干連接。

圖1 蝗蟲后腿內(nèi)部生理結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Internal physiology of hind legs of locusts

蝗蟲的運(yùn)動(dòng)過程包括三個(gè)階段，即起跳、騰空和著陸。起跳時(shí)，蝗蟲的后腿向地面施壓，腿部肌肉形成彎曲和折疊狀，當(dāng)蓄力完成后突然釋放肌肉，從而完成跳躍。此過程腿部肌肉包括儲(chǔ)存能量和能量釋放兩個(gè)過程，對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)為后腿的折疊和伸展兩個(gè)運(yùn)動(dòng)。后腿折疊時(shí)，腿內(nèi)的曲肌收縮帶動(dòng)曲肌腱；后腿伸展時(shí)，伸肌收縮帶動(dòng)伸肌鍵。蝗蟲彈跳的能量除了部分存儲(chǔ)在肌肉中外，還有部分存儲(chǔ)在半月結(jié)構(gòu)中，如圖2所示?；认x后腿的脛節(jié)和股節(jié)通過彈簧狀的半月結(jié)構(gòu)相連，起跳前，蝗蟲的腿部肌肉會(huì)帶動(dòng)半月板；起跳時(shí)，半月板瞬間釋放能量促使蝗蟲腿部脛節(jié)向后運(yùn)動(dòng)，從而完成整個(gè)蹬地的動(dòng)作[13]。

圖2 蝗蟲后腿能量存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of energy storage structure of hind legs of grasshoppers

蝗蟲在落地階段，其足部先著地，腿部關(guān)節(jié)向下緩沖至自身速度降為零。后足的股節(jié)和脛節(jié)由伸直狀態(tài)轉(zhuǎn)換為褶皺狀態(tài)，形成類似彈簧的緩沖效果，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的落地動(dòng)作。此時(shí)，腿部股節(jié)的縱向肌肉由自由狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槔睜顟B(tài)，部分動(dòng)能和勢(shì)能轉(zhuǎn)化為彈性能，存儲(chǔ)在肌肉和半月結(jié)構(gòu)中。在整個(gè)跳躍過程中，蝗蟲能有效地進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)化并保持自身的平衡。

1.2 空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)原理圖與樣機(jī)設(shè)計(jì)

根據(jù)上文蝗蟲生理結(jié)構(gòu)與功能仿生原理，設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)腿部為彈性多腿式構(gòu)型，如圖3所示，其與蝗蟲腿部結(jié)構(gòu)形成仿生映射。其中，關(guān)節(jié)1和關(guān)節(jié)2為轉(zhuǎn)動(dòng)副，用于機(jī)構(gòu)的緩沖和壓縮；關(guān)節(jié)間安裝扭簧，用于將機(jī)構(gòu)接觸碰撞時(shí)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為彈性勢(shì)能；關(guān)節(jié)3為球副，用于適應(yīng)接觸目標(biāo)物表面的構(gòu)型。

圖3 彈性多腿式構(gòu)型原理Fig.3 Schematic diagram of elastic multi-leg configuration

通過以上構(gòu)型原理設(shè)計(jì)的空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)如圖4所示，圖中標(biāo)有具體零部件。原理樣機(jī)腿部呈圓周陣列分布，通過單向軸承驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)壓縮，足墊底部黏附有干性粘合劑[14]。

圖4 空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)原理樣機(jī)Fig.4 Cushion mechanismprincipled sample machine

2 空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)受力分析

2.1 空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)單腿受力分析

首先建立空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)單腿的力學(xué)模型。第i條腿的受力分析示意圖如圖5所示。

圖5 空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)單腿受力分析圖Fig.5 Force analysis diagram of single leg of buffer mechanism

(1)

(2)

將式(2)中脛節(jié)和股節(jié)的力平衡方程轉(zhuǎn)化為關(guān)于基盤的平衡方程，表達(dá)式如下：

(3)

將式(3)分別代入脛節(jié)和股節(jié)的力矩平衡方程中，得到股節(jié)連桿相對(duì)于基盤關(guān)于y0i的力，這個(gè)力是關(guān)于空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)緩沖距離、緩沖速度和緩沖加速度的函數(shù)，表達(dá)形式如下:

(4)

2.2 空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)整機(jī)受力分析

和上文對(duì)空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)第i條腿的受力分析類似，建立空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)整機(jī)動(dòng)力學(xué)模型。當(dāng)機(jī)構(gòu)六腿同時(shí)著陸緩沖時(shí)，空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)整機(jī)受力分析圖如圖6所示。

圖6 空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)整機(jī)受力分析圖Fig.6 Buffer mechanism force analysis diagram

(5)

3 空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)碰撞動(dòng)力學(xué)和緩沖參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)碰撞動(dòng)力學(xué)建模分析

由于空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)狀態(tài)復(fù)雜，不宜數(shù)學(xué)求解，故本文通過建立碰撞動(dòng)力學(xué)模型對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行分析。首先需要對(duì)機(jī)構(gòu)緩沖碰撞進(jìn)行如下假設(shè)[15]：

1)目標(biāo)物表面的剛度為無限大；

2)太空微重力環(huán)境下重力加速度為0；

3)碰撞接觸力為連續(xù)的等效彈簧阻尼力；

4)空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)與目標(biāo)物的碰撞形式為線性質(zhì)量彈簧阻尼系統(tǒng)；

5)碰撞產(chǎn)生的頻率遠(yuǎn)大于空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)內(nèi)部的頻率；

6)目標(biāo)物的質(zhì)量遠(yuǎn)大于空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)的質(zhì)量；

7)碰撞內(nèi)所有接觸都為點(diǎn)接觸。

根據(jù)以上假設(shè)，建立空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)碰撞黏附目標(biāo)物原理圖以及碰撞動(dòng)力學(xué)模型，如圖7所示。

圖7 空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)碰撞粘附目標(biāo)物原理圖Fig.7 Schematic diagram of space adsorption mechanism colliding and adhering target objects

在空間碰撞過程中，系統(tǒng)主要的參數(shù)是剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)，剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)對(duì)應(yīng)的計(jì)算參數(shù)是接觸時(shí)間和恢復(fù)系數(shù)，簡(jiǎn)化模型后可以用空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)的剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)來代替。其中，接觸時(shí)間是指空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)和目標(biāo)物碰撞的時(shí)間，恢復(fù)系數(shù)是指碰撞后空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)和目標(biāo)物的相對(duì)速度比上碰撞前空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)和目標(biāo)物的相對(duì)速度，恢復(fù)系數(shù)越小則機(jī)構(gòu)碰撞后反彈越小，為0時(shí)表示空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)和目標(biāo)物共同運(yùn)動(dòng)。

(6)

式中：kc和cc分別是空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)腿部末端足墊碰撞目標(biāo)物表面的剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)，xt和xf分別表示目標(biāo)物mt和空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)腿部末端足墊mf的位置,mt是空間目標(biāo)物的等效質(zhì)量,mf是空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)末端足墊的等效質(zhì)量。根據(jù)式(6)，可得圖7中各質(zhì)量體的動(dòng)力學(xué)方程為：

(7)

假設(shè)圖7所示模型不存在阻尼，即恢復(fù)系數(shù)為0，則空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)碰撞的頻率可以表示為:

(8)

式中：ωf,ωc和σ分別表示為:

(9)

(10)

根據(jù)建模假設(shè)條件(5)，碰撞產(chǎn)生的頻率遠(yuǎn)大于空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)內(nèi)部的頻率，即ωf?ωc；根據(jù)建模假設(shè)條件(6)，目標(biāo)物的質(zhì)量遠(yuǎn)大于空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)的質(zhì)量，即mf?ms,ms?mt，因此，可得：

σ≈1

以上分析情況為機(jī)構(gòu)不存在阻尼，而在實(shí)際碰撞的情況下，機(jī)構(gòu)必然存在一定的阻尼。本文已假設(shè)碰撞產(chǎn)生的頻率遠(yuǎn)大于空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)內(nèi)部的頻率，所以在實(shí)際情況下，碰撞面接觸產(chǎn)生的頻率會(huì)比空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)自身產(chǎn)生的振動(dòng)頻率衰減的更快。所示上式可以用空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)的振動(dòng)頻率來等效替代：

(11)

式中：ωf表示為：

(12)

(13)

圖8 空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)碰撞目標(biāo)物動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)化模型圖Fig.8 A simplified kinetic model diagram of a space adsorption mechanism impacting a target

此時(shí)，碰撞動(dòng)力學(xué)方程可以表示為:

(14)

式中：y表示為空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)彈簧的位移量。

3.2 空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)緩沖參數(shù)的設(shè)計(jì)

(15)

式(15)表示空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)碰撞目標(biāo)物表面后機(jī)構(gòu)的振動(dòng)方程。式中:ω表示空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)的固有頻率，表示為：

(16)

式中:γ表示碰撞時(shí)的阻尼系數(shù)，表示為：

(17)

由式(15)，可得空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)的碰撞時(shí)間為振動(dòng)頻率周期的一半，表示為：

(18)

由上式可得，阻尼系數(shù)的取值范圍為0≤γ≤1。

如果當(dāng)阻尼系數(shù)大于1時(shí)，根據(jù)公式(18)，則表示空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)與目標(biāo)物平面的碰撞時(shí)間為無窮大。根據(jù)求得的接觸時(shí)間，可以求得空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)碰撞時(shí)的剛度系數(shù)，即等效為求解空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)的恢復(fù)系數(shù)ε，通過式(18)可得：

2.2 測(cè)定方法 用卷尺測(cè)定樹高、冠幅、干高，用角度尺測(cè)量枝條開張角度；處理組和對(duì)照組骨干枝上選取飽滿度一致的側(cè)芽134個(gè)，調(diào)查萌發(fā)率、抽生新梢類型；處理組和對(duì)照組各選取134條中短枝，調(diào)查頂花芽數(shù)量；全樹采果測(cè)定產(chǎn)量。

(19)

式中:阻尼系數(shù)取值范圍同樣為0≤γ≤1，當(dāng)阻尼系數(shù)大于1時(shí)，此時(shí)碰撞恢復(fù)系數(shù)方程不成立，即恢復(fù)系數(shù)為0，表示空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)和目標(biāo)物粘合后一起運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求，本文設(shè)計(jì)的空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)要求機(jī)構(gòu)碰撞目標(biāo)物后粘附在目標(biāo)物的表面，即機(jī)構(gòu)不發(fā)生反彈或反彈概率極小，所以這里以碰撞恢復(fù)系數(shù)為0的理論值代入公式進(jìn)行設(shè)計(jì)，即阻尼系數(shù)大于1的情況。根據(jù)原理樣機(jī)的實(shí)際質(zhì)量為1.3488 kg，且目標(biāo)物的質(zhì)量遠(yuǎn)大于空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)的質(zhì)量，設(shè)定目標(biāo)物的質(zhì)量為10000 kg，碰撞時(shí)空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)與目標(biāo)物平面接觸的是機(jī)構(gòu)腿部的足墊，根據(jù)假設(shè)，其質(zhì)量又遠(yuǎn)小于空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)的質(zhì)量，為0.0192 kg，可求解得：

1.3486 kg

空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)的恢復(fù)系數(shù)方程如式(17)，將質(zhì)量系數(shù)代入式(17)中，等式兩邊平方,可得關(guān)系式

(20)

令碰撞恢復(fù)系數(shù)方程為1.01，得

(21)

此時(shí)，取空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)扭簧的總剛度系數(shù)為0.8 N/mm，得阻尼系數(shù)為6.635×10-2N·s/mm。

3.3 仿真校驗(yàn)

利用ADAMS動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)上述緩沖參數(shù)進(jìn)行仿真校驗(yàn)。將機(jī)構(gòu)緩沖參數(shù)分別設(shè)置為不同的剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)模擬碰撞的過程，空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)的接觸速度為0.6 m/s。仿真校驗(yàn)的參數(shù)根據(jù)緩沖參數(shù)大于1和小于1進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)根據(jù)空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)的回彈情況，參數(shù)序列1、2、4為緩沖參數(shù)大于1的情況，即空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)不發(fā)生回彈；序列3為緩沖參數(shù)小于1的情況，即空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)發(fā)生回彈。序列1、2、4通過控制系數(shù)法進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，其中序列2是未計(jì)算優(yōu)化前的機(jī)構(gòu)緩沖參數(shù)。如圖9所示是空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)仿真碰撞前后狀態(tài)的示意圖。通過仿真得到如圖10所示的碰撞力結(jié)果曲線圖和如表1所示的仿真結(jié)果集。

表1 ADAMS仿真結(jié)果集Table 1 ADAMS simulation results

圖9 空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)仿真碰撞前后示意圖Fig.9 Buffer mechanism simulation collision diagram

圖10 ADAMS仿真結(jié)果曲線圖Fig.10 Diagram of ADAMS simulation results

通過仿真結(jié)果可知，在機(jī)構(gòu)不發(fā)生回彈的情況下，當(dāng)空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)扭簧的剛度系數(shù)一定時(shí)，阻尼系數(shù)越大，空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)所受碰撞力越大，對(duì)機(jī)構(gòu)緩沖不利；當(dāng)阻尼系數(shù)一定時(shí)，扭簧的剛度系數(shù)越小，機(jī)構(gòu)所受碰撞力相差不大，但由于扭簧剛度不夠，此時(shí)空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)腿部與上端圓形承載臺(tái)發(fā)生了內(nèi)部碰撞。當(dāng)阻尼系數(shù)一定時(shí)，扭簧的剛度系數(shù)越大，機(jī)構(gòu)所受的碰撞力越大，同時(shí)空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)發(fā)生了回彈，導(dǎo)致碰撞時(shí)間變長(zhǎng)，不符合機(jī)構(gòu)實(shí)際的功能需求。

表1中，“正常”是指空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)壓縮過程正常，具體是關(guān)節(jié)正常壓縮、未發(fā)生回彈且沒有發(fā)生其余碰撞等現(xiàn)象；“回彈”是指空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)碰撞后由于緩沖參數(shù)設(shè)置的原因?qū)е聶C(jī)構(gòu)發(fā)生了回彈，具體是空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)碰撞目標(biāo)物后彈起再落下；“干涉”是指空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)壓縮后關(guān)節(jié)和圓形承載臺(tái)發(fā)生了內(nèi)部碰撞，具體是腿部關(guān)節(jié)碰撞到圓形承載臺(tái)的下方。通過仿真校驗(yàn)分析，驗(yàn)證了本文緩沖參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性和正確性。

4 結(jié) 論

1)本文設(shè)計(jì)了一種新型仿蝗蟲腿的非合作空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)，并且提出了空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)緩沖碰撞過程的動(dòng)力學(xué)模型。采用連續(xù)性碰撞方程進(jìn)行研究，將空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)等效為線性彈簧阻尼結(jié)構(gòu)。再結(jié)合實(shí)際緩沖碰撞模型參數(shù)設(shè)計(jì)了空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)的緩沖參數(shù)。

2)仿真結(jié)果相較于未計(jì)算優(yōu)化的剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)，機(jī)構(gòu)所受碰撞力已大幅度減小約32%(序列1與2對(duì)比)，且未發(fā)生回彈和干涉現(xiàn)象。表明該方法的合理性和正確性。本文對(duì)于空間緩沖吸附機(jī)構(gòu)一次性著陸緩沖具有一定的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值，適用范圍為可等效為彈簧阻尼結(jié)構(gòu)的腿式緩沖器與結(jié)構(gòu)。