A Wireless Sensor Network System with a Jumping Node for Unfriendly Environments

Abstract

Mobile robots have been adopted to repair failed wireless sensor network systems for node damage, battery exhaustion, or obstacles. But most of the robots use wheeled locomotion manner, which does not work well or even fails when confronted with obstacles in uneven terrains. To solve this problem, this paper presents the design of a jumping robot to serve as a robotic node for wireless sensor networks. The robot can jump up to or over obstacles to repair the broken network connections. The robot senses its posture angle by using an acceleration sensor and self-rights automatically by using a pole leg after falling down on the ground. The robot also can steer and adjust its take-off angle by the pole leg. A network monitoring system with the proposed robot is built to test its basic locomotion capabilities and the network repair function. Experimental results show that the robot can jump about 90 cm in height and traverse 50 cm far at a take-off angle of 75 degrees. The robot can repair the network by jumping up to a 10 cm high platform. The proposed system with a jumping node can provide powerful support for applications in unfriendly environments.

Review: Research Status of Miniature Jumping Robot

“…BARTLETT 等 [16] 刚度阶梯渐变跳跃机器人 间歇式跳跃；多种材料混合 3D 打印，刚度阶梯渐变，软体 LOEPFE 等 [17] 球形跳跃机器人 间歇式跳跃；改变燃气比例和流速调节速度；球形柔性外壳实现 落地缓冲和自动复位 MIAO 等 [18] 蜂窝减震轮式跳跃机器人 间歇式跳跃；蜂窝减震轮滚动以及辅助落地缓冲，负载能力强 SHEPHERD 等 [19] 三足软体跳跃机器人 间歇式跳跃；跳跃性能突出，软体辅助落地缓冲 场力作用能 外在磁场 HU 等 [21] 多运动模式软体机器人 间歇式跳跃；外在磁场驱动，体积微小型，多运动模式灵活切换 1.1.1 机械弹性能 大多数现有跳跃机器人采用的都是利用弹性元 件和锁死释放机构结合，先蓄能后释放的方式实现 间歇式跳跃，也有少数可以实现连续跳跃。 如图 1a 所示为美国宇航中心喷气实验室提出的 第一代跳跃机器人 [6][7] ，利用线性弹簧储能，通过触 发释放机构实现弹跳运动。落地后利用低重心不倒翁 原理，球形外壳辅助机器人自动复位，再重新储能和 释放，从而实现间歇性跳跃运动。密歇根州立大学利 用扭簧的弹性变形设计了一系列的间歇式跳跃机器 人。如图 1b 所示，其最新产品利用电动机和单向轴 承对绳索机构实现蓄能和释放，并为机器人增加了一 个用于空中姿态调节的尾巴 [12] 。落地之后，跳跃电动 机的传动齿轮和驱动尾巴的传动齿轮组成了一对滚 动轮， 可以实现滚动， 利用两轮的差速运行实现转向。 尾巴同时起到了支撑杆的作用，实现机器人两种运动 模式之间的快速切换。日本名古屋工业大学根据闭合 弹性体的卡入式弯曲(Snap-through)设计了一系列的 弹跳机构， 利用该原理设计的单向驱动的台阶跳跃机 器人 [9] 能够实现高频率跳跃。 在利用弹性能实现跳跃的微小型机器人中，除 了采取先蓄能再释放的间歇式弹射器机构，也有一 些利用机械结构实现了小幅度的连续跳跃。如图 1c 所示，苏黎世联邦理工学院提出了利用小质量块转 动引起的曲梁振动实现机器人连续稳定跳跃 [11] 。该 机器人的驱动方法非常新颖，并且能量利用率与人 行走的效率相当。 图 1d 为该研究团队提出的弧形脚 自平衡跳跃机器人 [8] [14] ，并研究了起跳初始 轮廓对于环形圈跳跃机器人跳跃性能的影响 [15] 。该 设计方案将滚跳结合，运动灵活，但目前采用记忆 合金驱动的跳跃机器人都没有解决能源自载的问 题。香港科技大学研制的气压驱动跳跃机器人，利 用四个弹性体气动执行器分别驱动机器人的四条 腿， 通过电磁阀控制每条腿的施加气压和加压顺序， 实现起跳控制 [20] [16] 。 如图 2b 所示，瑞士苏黎世化学和生物工程研究所提 出了一种基于一氧化二氮和丙烷/丁烷混合气体燃烧 反应的球形跳跃机器人，该机器人通过改变燃气比例 和流速可以改变跳跃速度。柔性外壳可以实现落地缓 冲，球形外壳和低重心辅助实现主动复位 [17] 。 图 2c 为哈尔滨工业大学深圳研究院研制的蜂 窝减震轮式跳跃机器人 [18] ，通过伺服电动机调节支 撑腿的角度可以调节起跳角度。利用丙烷和一氧化 二氮的燃烧反应来获得跳跃所需的能量。该机器人 自重 1.25 kg， 在负重 3.75 kg 时可以达到 7.5 m 的跳 跃高度，虽然目前该机器人没有解决燃料携带的问 题，只能实现一次跳跃，但其超强负载能力引人注 目。如图 2d 所示，哈佛大学研制的三足软体跳跃机 器人 [19] [24] 。 东南大学提出了两代仿蝗虫跳跃机 器人，并就转向复位和群机器人的路径规划等展开 了系统深入的研究。第一代仿蝗虫跳跃机器人 [25] ， 如图 3d 所示， 采取的跳跃机理与瑞士洛桑联邦理工 学院研制的机器人 [22] 类似，利用离心凸轮压缩扭簧 存储能量，实现跳跃。新增有配重的支撑腿，可以 在机器人落地之后实现主动复位，实现起跳方向的 不连续调节。通过改变尾巴上的配重位置改变机器 人质心位置调节起跳角度，可以实现起跳角度在小 范围内的改变，并结合 zigbee 组网技术研究将该机 器人应用于远程家庭环境监控的可能性。第二代仿 蝗虫跳跃机器人利用单电动机驱动可以同时完成爬 行和跳跃，主要模仿蝗虫的多运动模式 [26] 。 图 3 仿蝗虫跳跃机器人 北京航空航天大学在蝗虫跳跃机理、扑翼飞行 和落地缓冲上展开了深入的研究 [43][44][45][46] ，并研制了基 于不完全齿轮驱动的轮式跳跃机器人。通过分析蝗 虫落地的高速视频，建立了相应的数学模型研究了 蝗虫的落地缓冲机理，提出的多分支缓冲腿模型， 为解决间歇式跳跃机器人解决落地缓冲问题提供了 新思路。 1.2.2 仿跳蚤跳跃机器人 不同类型的跳蚤跳跃性能各异，但总体来说， 尺寸在几毫米左右的跳蚤可以实现约 30 cm 的跳跃 距离，是自身尺寸的数百倍，跳跃性能惊人 [27] 。跳 蚤通过杠杆传递髋关节处的节肢蛋白积蓄的能量 以驱动胫节和跗节， 从而获取跳跃所需的地面接触 力…”

A Framework for Energy Based Performability Models for Wireless Sensor Networks

“…Authors in [32] proposed use of mobile sinks for collecting data packets from the fixed monitoring nodes. In another study robots have been proposed for repairing failing nodes and broken network connections (holes) [8], [9]. Other studies have also recommended use of redundant nodes deployed at inception to be used to replace failed nodes [33].…”

“…In addition, schemes have also been proposed for repair and replacement of failed nodes [8] as well as repair of network holes [9]. Various energy harvesting mechanisms such as the use of solar systems has also been proposed [6] and [7].…”

Design and Implementation of a Remote Control System for a Bio-Inspired Jumping Robot

“…The pole-leg is used to prop the robot up and steer in level ground. The detailed self-righting and steering principles are presented in [38,39]. The code wheel on the surface of the cam combined with the infrared sensor is used to provide feedback control for the jumping motor.…”