跳跃式机器人的研究与机构设计

《跳跃式机器人的研究与机构设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《跳跃式机器人的研究与机构设计（7页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、1跳跃式机器人的研究与机构设计张伯瑜，王奥博，马亚洲，夏囯俊，唐微，林科,罗庆华 （航天与建筑工程学院学院，哈尔滨工程大学，哈尔滨，150001，中国）摘摘 要：要：机器人在实际应用时,很多时候要求其具备弹跳装置以便跃过障碍物或沟渠。而多轮驱动以及爬行或步行机器人无法满足这种要求,而具有弹跳能力的机器人可以跃过数倍于自身高度的障碍物或沟渠，对地形有较强的适应力。本文对跳跃式机器人的弹跳运动进行了介绍，并对连续型弹跳机器人和间歇型弹跳机器人各自特点做了分析，对弹跳机器人的构建方法以及研究起源进行了综合的介绍和分析,并在此基础上介绍了作者设计的两种弹跳机器人。本文同时也对未来弹跳机器人的发展趋势做

2、了展望。关键词关键词：机器人;弹跳运动;弹跳机器人；机械结构设计自主运动式机器人的最大挑战之一是提高运动的 灵活性。当前很多机器人在实验室平滑地面上可 以完成复杂的任务，然而在不可预测的复杂地形 环境下其性能大打折扣，甚至变得毫无用处。随 着应用的普及，机器人经常需要面对恶劣的环境 和复杂 的地形，这就要求机器人具有很强的自主运动能 力及生存能力。目前自主运动式机器人主要采用的运动方式 有：滚动，轮式或履带式移动，多足爬行或两足 步行。滚动运动方式运动灵活性上不具优势，越 障能力极低。轮式或履带式移动机器人机构简单， 运动时消耗能量不多，但是很难越过高度超过限 制的障碍物，随着机器人形体的减小

3、，地形对运 动的限制作用越来越大。步行或爬行机器人翻越 障碍物的能力稍强，但是机构复杂，自由度、关 节、驱动部件较多且控制复杂，实际应用受到限 制。跳跃式机器人可以跃过数倍于自身高度的障 碍物或沟渠，对地形有较强的适应力，且跳跃运 动的突然性与爆发性有助于机器人躲避危险。特 别在星际探测中，由于各个星球的重力加速度小 于地球，跳跃式机器人具有良好的应用前景。此 外，跳跃式机器人的立足点是离散的，跟地面的 接触面积较小，可以在可达到的地面上选择最优 支撑点，即使在表面极度不规则的情况下，通过 严格选择足部的支撑点，也能够实现落足。1 跳跃运动和跳跃式机器人1.11.1 跳跃运动跳跃运动 自然界中

4、具有跳跃能力的生物体多种多样，按照 跳跃方式的不同，跳跃运动可分为间歇性跳跃运 动和连续性跳跃运动。1 间歇性跳跃运动 间歇性跳跃运动的特点为：生物体进行完一次跳 跃运动后，需要在地面停顿一定时间才能进行下 一次的跳跃。在这个短暂时间段里，生物体需完 成身体姿态的恢复、调整下一次跳跃的方向、进 行下一次跳跃能量的积蓄等工作。青蛙和蝗虫的 跳跃运动可以归为间歇性跳跃运动。青蛙的前肢 较后肢短小，平常后肢是折迭起来的。青蛙的跳 跃主要靠后肢的推动力，后肢的外型与原理都跟 弹簧相似。青蛙前肢的功能，类似汽车的避震器， 是用来缓冲跳跃后着陆的冲击力。青蛙跳跃时初 速为 1.2m/s，最高点达 23cm

5、，远达 50cm。青蛙能 跳到自身长度的 12 倍。蝗虫的后足特别发达，当它们后足的腿节和 腓节由褶折状态突然伸直时，就产生跳跃的动作。 一只重约 3g 的蝗虫双腿能产生初速为 3.4m/s 的力 量跳离地面。一只 5 龄的蝗虫可跳 30cm 高， 70cm 远。 值得一提的是，青蛙或蝗虫在跳跃落地后，身体 有可能会倾覆。在下一次跳跃前，必须进行姿态 的恢复，这也是间歇性跳跃与连续性跳跃的主要 区别之一。 2 连续性跳跃运动 连续性跳跃运动的特点为：跳跃运动是一环接一 环的连续性跳跃，生物体在动态运动中保持身体 的平衡。两次跳跃在地面停顿时间极短，诸如身 体姿态的平衡与恢复、跳跃方向的调节、跳

6、跃能 量的积蓄等动作都是在跳跃过程中动态完成的。 袋鼠的跳跃运动是典型的连续性跳跃运动。生活 在澳洲草原上的袋鼠以跳跃代步，能进行连续性 的跳跃，跳跃过程中用尾巴进行平衡。一只 18kg 重的大袋鼠，跳起来最高近 3m，最远达 9m，跳 跃高度是其自照片尺寸为 20mm*30mm；最 好不用红色背景2身高度的 5 倍。袋鼠的一个跳跃周期可以分为腾空和着地两 个阶段，腾空阶段为从趾离地到着地的过程，着 地阶段为从袋鼠趾触地到蹬离地面的过程。以小 腿与地面垂直的时刻为分界，每个阶段又分别由 两个子阶段组成。从趾蹬离地面到小腿与地面垂 直的时刻是腾空阶段的初始阶段，称为上升阶段； 从小腿与地面垂直的

7、时刻到趾接触地面的时刻是 腾空阶段的结束阶段，称为下降阶段。从趾接触 地面到小腿与地面垂直的时刻是着地阶段的初始 阶段，称为压缩阶段；从小腿与地面垂直的时刻 到趾蹬离地面的时刻是着地阶段的结束阶段，称 为起跳阶段或反弹阶段。Dawson 和 Taylor(1973 年)得出的袋鼠的主要 跳跃特征是：当袋鼠跳跃达到一定速度后，跳跃 的能量消耗将维持一定的水平并有略为下降的趋 势；袋鼠的跳跃频率随着速度的增大而轻微的增 大；袋鼠的跳跃比四足动物的奔跑要节约能量。 3 两种跳跃运动的比较通过对一些生物体跳跃运动的介绍和分析， 可以得出间歇性跳跃运动和连续性跳跃运动的异 同点。 相同点：跳跃运动大都由

8、腿部产生，方便了 建模研究，不同模型可以相互参照。严格意义上， 采用连续性跳跃方式的生物体地面接触阶段也存 在姿态调整，只不过这个过程在瞬时完成，而采 用间歇性跳跃方式的生物体地面姿态调整阶段经 历的时间较长。从生物学角度讲，两种类型跳跃 运动的不同是由不同生物体的腿部肌肉类型不同 导致。但是从运动学角度讲，间歇性跳跃运动可 以看作是连续性跳跃运动的特例。 不同点：采用间歇性跳跃运动方式的生物体， 腾空阶段一般不考虑身体的平衡，落地后身体甚 至可能倾覆，生物体能自我调节，恢复正常起跳 姿势。采用连续性跳跃运动方式的生物体，在动 态跳跃过程中保持身体的平衡。采用连续性跳跃 运动方式的生物体的下一

9、环跳跃可以部分利用上 一环跳跃残留的动能和产生的势能。 1.21.2 跳跃式机器人跳跃式机器人同理，按照跳跃方式的不同，跳跃式机器人 可分为间歇性跳跃式机器人和连续性跳跃式机器 人。 1 间歇性跳跃式机器人间歇性跳跃式机器人作间歇性跳跃运动，一 次跳跃结束后，需要短暂的时间在地面进行位姿 调整、能量存储和地形预测等动作，为再次跳跃 作准备。间歇性跳跃式机器人的运动过程基本可分为起跳，腾空飞行，落地(机体可能倾覆)，姿态 调整、为再次起跳做准备等四个阶段，比连续性 跳跃式机器人多了地面姿态调整过程。 地面姿态调整过程对于间歇性跳跃式机器人 是必不可少的阶段。机器人在这个阶段积蓄能量、 调整跳跃方

10、向和跳跃角度、预测地形、规划路径， 如果落地时身体倾覆，还要进行姿态恢复。间歇 性跳跃式机器人不需要时刻保持对机体姿态的实 时控制，可以采用分阶段控制方式。例如，在控 制蓄能机构积蓄能量并向预定方向释放后，腾空 阶段不再对机体加以控制，在机器人落地后再进 行姿态的恢复和调整。分阶段控制方式简化了控 制过程，且不影响跳跃式机器人的跳跃能力，同 时也避开了复杂的动力学分析和实时控制过程。 2 连续性跳跃式机器人连续性跳跃式机器人作连续性跳跃运动，足 部触地后在极短时间内再次跳跃，机体的能量补 充、姿态调整、起跳参数设置和着落点预测都是 动态完成。连续性跳跃式机器人的跳跃过程可以 分为起跳、腾空飞行

11、、触地再起跳三个阶段。图 1 连续性跳跃式机器人跳跃过程示意图连续性跳跃式机器人下一环跳跃可以部分利用 上一环跳跃残留的能量，如果机构设计合理，机 体的下落势能也能被积蓄再利用，能量利用率较 高。一般来讲，实验室集中于连续性跳跃式机器人 的研究，比较关注连续跳跃过程中的动力学平衡 和实时控制问题。跳跃式机器人的研究起源于此， 目的是建立具有连续跑动能力的机器人。连续性跳跃式机器人研究大多把跳跃模型理 想化，将连续性非线性动态过程离散化，只分析 关键时刻的运动速度、加速度、跳跃高度与能量 消耗，降低动力学系统的维数。连续性跳跃式机 器人分析过程中比较常用的模型是质量-弹簧模型。3 两种类型跳跃式

12、机器人的比较通过对两种类型跳跃式机器人的介绍与分析， 可以得出间歇性跳跃式机器人和连 续性跳跃式机器人的异同点。3相同点：两种类型跳跃式机器人的机械构造 可能有差异，但是动力学及控制模型有相似 性，有进行统一研究的可能和基础，简化了研究 过程。严格意义上，连续性跳跃式机器人地面接 触阶段也存在姿态调整，只不过这个过程在瞬时 完成，而间歇性跳跃式机器人地面姿态调整阶段 经历的时间较长。存在这样的差别，是由两种类 型跳跃式机器人的机械构造和控制方式决定的。 但是从运动学角度讲，间歇性跳跃式机器人可以 看作是连续性跳跃式机器人的特例。两者的最终 研究目的是一样的，都是构建能适应各种地形的 智能型跳跃

13、式机器人，能象袋鼠一样自由的跳跃， 同时又能随时稳定的停住，实现连续性跳跃和间 歇性 跳跃的有机统一。不同点：两种类型跳跃式机器人一个跳跃周 期包含的阶段不同。间歇性跳跃式机器人需考虑 如果机体倾覆，如何恢复正常运行姿态。连续性 跳跃式机器人需考虑如何在动态的连续性跳跃过 程中保持机体的平衡。间歇性跳跃式机器人一般 在落地的过程中能量全部损失掉，而连续性跳跃 式机器人可以部分利用上一环跳跃落地后机体内 残留的能量，甚至能利用机体下落的势能。两种类型跳跃式机器人现阶段研究重点不一 样。间歇性跳跃式机器人目前的研究集中在机械 构造方面，控制相对简单。间歇性跳跃式机器人 追求的是较高的跳跃高度和较远

14、的跳跃距离。连 续性跳跃式机器人目前的研究集中在动力学分析 和平衡控制方面，追求的是稳定的连续性跳跃。 另外，两者现阶段研究的目的也不一样。间 歇性跳跃式机器人追求的是跳跃高度，目的是构 建可以应用于实际环境中的自主式运动机器人。 连续性跳跃式机器人更关注机器人跳跃的稳定性， 对跳跃高度不是很在意，所以已出现的连续性跳 跃式机器人目前的跳跃更类似于“跑”。 1.31.3 跳跃式机器人主要构建方法跳跃式机器人主要构建方法 总结目前的跳跃式机器人研究，主要构建方 法可分为以下几类：1 仿生 利用仿生学原理来构建具有类似于生物体运 动方式的机器人是目前研究的热点，跳跃式机器 人的研究也不例外。仿生构

15、建又可以分为机构仿 生与材料仿生。机构仿生是从自然界生物体的跳 跃动作中获得启发，仿造外型与功能类似的机构 来实现跳跃。目前仿生研究以此类为多，如：机 械蟑螂、机械蝗虫、机械蟋蟀与机械猫等。材料 仿生是构造类似于生物体的肌肉，从而达到跳跃的目的。Case Western Reserve 大学构建的机械蟋蟀尺 寸只有 5cm，能同时实现跑动和跳跃两种运动方 式。图 3 为六腿式仿生蟋蟀，采用材料仿生方法 构建；图 4 为 Mini-Whegs 仿生蟋蟀，采用机构仿 生方法构建。图 2 Case Western Reserve 大学的仿生蟋蟀图 3 六腿式仿生蟋蟀图 4 Mini-Whegs 仿生

16、蟋蟀4图 5 Mini-Whegs 仿生蟋蟀的一个跳跃过程 2 弹性构件利用特定机械元器件或机构产生的弹力来实 现跳跃是一种较易实现的跳跃式机器人构建方式， 可以采用的弹性构件包括弹簧等。 图 6 是 NASA 喷气推进实验室构建的第一代跳跃 式机器人，属于间歇性跳跃式机器人，有滚动和 跳跃两种运动方式4548。透明的聚碳酸酯外壳 在机器人跳跃触地时起缓冲作用，保护内部的机 载仪器。位于顶部的电机向一方旋转，可以驱动 弹簧压缩、释放子系统，向另一方旋转可以带动 视觉装置的转动。机器人的跳跃运动由线形弹簧 实现，由同中心的两个圆筒组成的弹簧壳体防止 了弹簧的侧向失衡。弹簧由电机驱动的螺杆压缩， 当弹簧压缩到一定程度，由特定机构实现锁定。 当视觉装置在电机驱动下转动时会导致机器人重 心的偏移，系统的倾斜实现跳跃方向的调整。电 池和其它附属装置位于系统足部，有利于降低机 器人重心，在跳跃落地后可以实现系统姿态的自 动复原。该机器人的垂直跳跃高度为 80cm，水平 跳跃距离为 30-60cm。图 6 NASA 喷气推进实验室的第一代跳跃式机器 人 3 柔性机构 柔性机构是一种依靠