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1、弹跳式机器人张伯瑜，王奥博，马亚洲，夏国俊，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了展望。关键词：机器
2、人;弹跳运动;弹跳机器人；机械结构设计Bounce robotZhangboyu， Wangaobo， Mayazhou， Xiaguojun， Tangwei， Linke， Luoqinghua (College of aerospace and civil Engineering,Harbin Engineering University, Harbin,150001, China)Abstract： In practical application, robots many times require its have jumping devices to overleap obsta
3、cles or ditches. And wheeled and crawled or walking robot cant satisfy this requirement, and jumping robot can jump overleap several times their height of obstacles or ditches on the topography, has the strong dint. In this paper the bounce movement jumps robots were introduced, and did analysis of
4、the continuous bounce robot and intermittent type characteristics , we also did introduction and analysis of the method of constructing to bounce robot and the research origin comprehensive , and based on this, the author designed two bounce robot. The future development trend of leaping robot was a
5、lso prospected in this paper.Key words： robot; Bounce movement; Bounce robot; Mechanical structure design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
6、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很难越过高 度超过限制的障碍物，随着机器人形体的减小，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。1跳k跃 运动和跳跃式机器人1.1跳跃运动自然界中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
7、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，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
8、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
9、，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 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
10、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
11、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。1.2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
12、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
13、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、触地再起跳三个阶段。膀空飞行阶殁触曲阶段慝空飞行阶段图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
14、，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。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
15、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
16、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”。1.3跳跃式机器人主要构建方法总结目前的跳跃式机器人
