1、跳躍機器人研究現狀和趨勢測控一班3012202006胡凌皓要：跳躍運動其著地點的離散性和發力的突發性和爆發性使跳躍運動模式的仿 生機器人具備很強的越障和環境適應能力。本文結合國內外跳躍機器人的研究現 狀和成果，將跳躍機器人研究分為伸縮式、關節腿式、輪滾式和彈性變形式4類， 并分析各類機器人特征結合本課題組對跳躍機器人的研究，總結了跳躍機器人 研究的關鍵技術，最后展望了未來跳躍機器人研究發展趨勢。關鍵詞：跳躍運動；跳躍機器人；仿生機器人research status and development trend of hopping robotsabstract: hopping locomoti

2、on has characteristics of isolated footholds, and powerful and explosive hopping force, whichmakes bio-inspired robots with hopping locomotion have the ability of jumping over obstacles and the environmentai adaptability. in this paper; hopping robots are divided into four categories on the basis of

3、 research results in china and overseas: telescopic robots, articulated robots, wheeled & rolling robots and flexible robots. combining with the current research about hopping robots, the characteristics of each categories are analyzed. the related key tech no logies are proposed. finally, the d

4、evelopment trends of hoppi ng robots in future are predicted.keywords: hopping locomotion; hopping robot; bio-inspired robot.1引言口前，移動機器人采用的主要運動模式是輪式驅動。輪式驅動是人類改造自 然界、路面出現后的產物，不能適應復雜地形，越障能力差。隨著機器人應用范 圍的日益廣泛，機器人將逐步應用于人類所無法深入到的條件惡劣、地形復雜的 未知非結構環境屮探索和改造自然界，為人類服務.未知非結構環境要求機器人 必須具有較強的地形適應能力、高效的運動模式和自主運動能力。由

5、于跳躍運動其著地點的離散性和發力的突發性和爆發性，口然界中的許多 動物將跳躍運動作為克服大自然環境、逃避敵害和高效捕食的一種運動模式。跳 躍機器人的應用需求及動物跳躍仿生靈感，給近年跳躍機器人的研究注入新的活 力，無論是仿生跳躍理論研究方面還是跳躍機器人實際應用方面都取得大量的成 果。木文從仿生跳躍理論研究方面和跳躍機器人實際應用方面分析國內外有關 跳躍機器人的研究成果，并從實現方式的角度進行分類和綜述；在此基礎上，結 合木課題組對跳躍機器人的研究，分析跳躍機器人的關鍵技術，并對未來跳躍機 器人的研究方法及趨勢進行分析，以期望對未來跳躍機器人的研究以及更多的實 際應用捉供參考。2跳躍機器人分類

6、及研究現狀目前對于跳躍機器人的研究主要有仿生跳躍理論研究和面向于實際應用的 研究.盡管兩類跳躍機器人在研究重點、類型方法和研究意義方而存在不同，但 是兩者冇著共同的特征(見表1)。仿生跳躍理論研究主要集中在將3維空間高 自由度的跳躍運動簡化為2維平面仿生模型，使其實現低維空間的跳躍運動， 其研究經丿力了從質量彈簧振子、仲縮倒立擺到單腿多關節的過程，并冃大多數研 究集屮在具冇生物特性的連續跳躍模式，能深入了解生物平穩跳躍運動機理，為 未來仿人、仿多足類機器人的跑跳運動提供參考.而向實際應用的跳躍機器人研 究起源于星際探索，低重力星而環境導致傳統輪式或履帶式機器人與地而產生的 驅動摩擦力變小，輪式

7、或履帶式移動機器人的運動高效性優勢被削弱，同時低重 力環境也有助于提高跳躍機器人的跳躍性能.近幾年，應用于室內巡視、野外探 測、救援搜尋的跳躍機器人開始嶄露頭角，跳躍機器人的應用領域、實現方式不 斷拓展。以下根據結構方式將跳躍機器人分為4類：仲縮式、關節腿式、輪滾 式、彈性變形式，結合近年研究新成果，分析運動實現方式和跳躍特性。表1跳躍機器人兩種研究領域的比較tab. 1 comparison of two research topics about hopping robots項目仿生理論探索研究而向應用的研究研究重點運動規劃、穩定性控制調節、 能量最優化跳躍提高越障跳躍性能， 智能化.微型

8、化主要類型 伸縮倒立擺式： 單腿關節式 輪跳結合式； 滾跳結合式研究意義了解仿生跳躍機理、 先進理論控制方法， 為負重跑跳機器人 提供參考星際探索、 考古探測、 軍事偵察、 救援搜尋共冋點離散運動特征，能雖存儲，落地穩宦平衡性， 新能源、新材料支持2. 1伸縮式跳躍機器人伸縮式跳躍機器人也稱為彈簧振子倒立擺模型(slip),模型結構圖如圖1 所示，該模型的重量集中在身體上部，下部為質量近似忽略的彈簧腿，主要靠腿 部彈簧沿移動副方向儲能產牛彈跳動力，彈跳力的提供方式有氣動、液壓驅動和電機驅動.如圖1所示，根據自由度的不同，仲縮式倒立擺模型主要分為4種 形式：(1) 單自由度模型。在矢平面內限制在

9、水平方向上平動和平面轉動，只分析 在垂直方向移動，即只研究跳躍機器人跳躍高度和穩定性。(2) 2自由度模型。平而2自由度跳躍機器人主要冇移動副和繞平而的轉動 2個自由度。(3) 3自由度模型。3自由度跳躍機器人在身體和彈簧腿間增加了一個轉動副, 身體充當平衡臂，通過調整轉動角度來實現其動態平衡。(4) 4自由度模型。在2自由度模型基礎上增加2個轉動臂，模擬人的2個nhkh圖1伸縮倒立擺式跳躍模型figj telescopic inverted pendular hopping models伸縮式倒立擺式跳躍機器人是一種簡化的腿部無關節跳躍模型，raibert從 理論和實驗上證明了單關節實現連續

10、跳躍的可行性，其它模型研究大多建立在 raibert單腿機器人基礎上，兒種典型模型研究見表2伸縮倒立擺跳躍機器人 的特征主要有：(1) 單點觸地，由于初始位置不能實現自動調節，需要外界調節到特定的初 始跳躍角度才能實現平穩起跳,并且一般不能實現平穩停跳，停跳時會發生傾侄(2) 連續跳躍，起跳、騰空、觸地等多運動和形成一個復雜的非線性混合系 統.因此，目前的研究多集中在連續彈跳運動動態穩定性、非線性動力學及控制 理論方面。(3) 觸地碰撞，在觸地過程中存在與地面的碰撞沖擊，造成能量損失，目前 研究多采用柔性彈簧腿緩解沖擊并減小能量損失，同時，彈簧剛度阻尼特性以及 控制算法均影響能量效率提高能量效

11、率是已經開展并需要繼續深入研究的問題。表2幾種典型伸縮倒立抿跳躍機器人研究分析tab.2 analysis of some famous slip hopping models英型硏究特征、方法及成果flight < thrust icom卩m i deoompr.模型種類:(a)；簡化raibert單 自由度模型,驗證raibert離散 非線性控制方法是單峰映射閉 環動態控制【.模型種類：(ch raibert模型, 基于對稱約束的解耦控制算法 控制機器人向前運動，并且實 現對彈跳奇度、身休方向的控 制卩叫 模型種類:(c)； arl monopod ii，提出可控被動控制策略, 設計

12、自適應能雖控制器.實現 速度為1.3m/s的能量消耗最 小的跳躍2.模型種類:(d)：雙臂柔性欠驅 動模型.提岀時變控制算法, 對垂心運動以及機器人轉向進 行控制"叫2. 2關節腿式跳躍機器人關節腿式跳躍機器人比伸縮式倒立擺式機器人更具冇仿生特征.關節腿式跳 躍機器人模仿人或者動物關節，身體結構部分采用多連桿代替，各部分采用較鏈 連接，形成一個開鏈式仿生結構模型，具有仿生跳躍步態.各關節的驅動方式主 要有彈簧驅動、電機直接驅動、液壓驅動、氣動驅動.在驅動力的作用下，機器 人的質心加速到一定速度，腳底逐漸失去與地面的接觸最終實現彈跳.表3介紹 了幾種典型的關節式跳躍機器人的研究成果與伸

13、縮倒立擺式跳躍機器人不同的 是，關節腿式跳躍機器人既冇點觸腳又冇平面腳，前者依靠單點與地面接觸，后 者通過類似動物腳掌的裝置與地面接觸。表3幾種典型關節腿式跳躍機器人分析tab. 3 analysis of some typical articulated hopping robots典型研究特征、方法及成果 液壓驅動。uniroo是帶尾巴的四關節仿袋鼠模型，總質最6.6 kg.通過控制調節也 動量到較小值實現01.8 m/s速度變化和平穩跳躍，驗證了較小角動 量對實現跳躍平衡，口然界生物也是通過調節角動量到最小來實現跳躍平衡 電機驅動。brail 2.0將腳和地面當作彈簧阻尼系統，考慮腳掌的

14、欠驅動現彖，提出 2個穩定性評價指標一一臨界指數指標和臨界動力學指標，采用切換零 動態的閉環控制方法，實現跳躍機器人落地的穩定性 氣動人工肌肉驅動。mowgli利用人工肌肉作為驅動裝置設計了一種開環控制方法，實現了仿 生穩定跳躍。 電機變剛度驅動。chobinold丿應用一種變剛度機構，通過改變圓盤形狀實現不同的關節角 度一力矩關系特性，提高了彈跳性能，同時起到緩解沖擊的作川。2. 3輪滾式跳躍機器人面向實際應用的跳躍機器人，要求機器人具有一定的越障能力，同時還要求機器人在移動的過程中保持高效、穩定.仿生理論研究在穩定性、可控性方面存 在許多技術難題，與其他運動方式例如輪式、滾動相結合，成為面

15、向應用的跳躍 機器人提高穩定性和高效性的一種方法。傳統輪式機器人只能在相對比較平坦的地面上移動，但輪式移動機器人可控 性強，能實現速度、方向和位置的準確定位，運動效率、可靠性高。將輪式和跳 躍運動相結合，充分利用兩種模式的長處，在平坦地面采用輪式驅動模式，提高 機動速度，遇到障礙物時，轉換成跳躍模式，冇效地越過障礙物，滿足了非結構環境下高效移動和越障的要求。輪式移動和跳躍結合是目前而向應用設計采用最多的一種方式。幾種典型的設計方案見圖2(a)(f)。(a)(b)(c)(d)(c)圖2跳躍實現方案示意圖fig.2 methods of achieving hopping locomotion滾式

16、跳躍機器人又稱球形機器人，由于采用了球形表而，可實現自穩定，不 存在傾翻現象，但同時導致不能精確定位。球形跳躍機器人的實現主要采用3種 策略：(1) 彈簧式，見圖2(d),內部彈簧實現不同程度的變形，彈簧釋放時，在 所冇彈簧合力的作用下實現彈跳；(2) 反向合力，見圖2(c),在氣腔噴岀的氣體矢量力的作用下，向固定的 方向運動；(3) 內部力，見圖2(f),在力的作用下，內部質量塊加速到一定的速度實 現彈跳。輪式跳躍和滾式跳躍機器人均采用了混合運動模式，捉高了跳躍機器人的穩 定性、高效性，但兩種混合運動模式存在差異。2. 4彈性變形跳躍機器人彈性變形跳躍機器人模仿生物腿部柔性彈射機構，通過變形

17、儲能，釋放能量 實現跳躍.隨著各種記憶合金和可變形彈性材料的出現，該類機器人成為近幾年 的研究熱點.圖4(a)的弓形機器人利用彈簧片儲存能量，實現單腿跳躍；圖4(b) 利用簧片設計一種六足可轉向跳躍機器人；圖4(c)是由特殊記憶合金制成、利 用晝夜溫羌儲能的星面探測跳躍機器人；圖4(d)、(0)是一種電壓驅動記憶合 金跳躍機器人；圖4(f)是利用簧片設計的一種單向力微型機器人。彈性變形跳 躍機器人特征是：(1)依靠變形儲存彈性能量，落地時吸收能量，緩解沖擊； 落地時吸收緩沖能量，并進行儲存，循環利用，能量利用率高；(3)由于所采用 的材料不同，因此實現和控制方式一般不同。圖4彈性變形跳躍機器人

18、fig4 flexible hopping robots3跳躍機器人關技術 (key technologiesof hopping robots)3. 1動力來源與能量效率目前，跳躍機器人采用的動力能源方式有多種，主要包描太陽能、電能、液 壓、氣壓、燃氣動力。從以上研究現狀可以看出，采用液壓燃氣駁動方式的機器 人整休質量和休積較大，很難實現嵌入式結構，但是由于該方式能夠提供較大的 輸出功率，并且具備一定的沖擊過載保護功能，因此液壓燃氣駛動是跳躍機器人 動力來源的主要選擇方式，也是未來負重跳躍機器人的必選張動方式，而未來的 關鍵技術是設計合理的柔性驅動結構和高效的控制方式提高其能量效率。3. 2

19、動態穩定控制對于伸縮式和關節腿式等連續跳躍機器人而言，其木身是高自由度機構實現 低維空間運動的靜不穩定系統，較高的前向運動速度和較大的步幅提高了運動高 效性和越障能力，同時也導致運動過程中機器人重心乖地投影遠離著地腳所在多 邊形區域垂地投影，不能用靜態zmp平衡條件進行分析。動態穩定研究不僅是 仿生跳躍理論方面有待解決的難點，同吋這些理論方法為面向實際應用的跳躍機 器人實現平穩跳躍、減少落地時傾翻提供理論支持和方法。3. 3著地碰撞和緩沖對于著地碰撞過程，前期研究模型大多為彈簧質量模型，而關節式跳躍機器 人不能簡單等效于彈簧壓縮.許多研究成果將著地碰撞假設為剛體碰撞接觸過程 進行分析，但這種分

20、析是一種理想假設，沒有考慮地面環境變化，實際接觸模型 復雜。利用實驗的方法分析不同剛度變化趨勢對著地緩沖和穩定性的影響，然而, 具有生物肌肉肌腱特性的柔性機構和驅動方式還需要進一步研究。4 研究方法與趨勢(research methods anddevelopment trends)跳躍機器人研究在基本的理論成果方面和實際應用方面都取得一定進展，但 仍存在許多挑戰性的難題，除上述關鍵技術以外，在新材料、智能控制以及微型 化等方而述存在許多問題冇待解決.根據上述研究分析，可預測未來跳躍機器人 的研究和發展方向將圍繞以下幾個方而進行：4.1面向實際應用的設計由于跳躍機器人在非結構環境下具有越障優勢

21、，未來對面向應用的跳躍機器 人的需求越來越大.隨著urban hopper機器人在美國軍方應用，以及面向于救 援、搜尋、巡視的跳躍機器人casting hopper> scout robot的應用，可以看出未 來微小型化跳躍機器人將有更大的應用需求價值.盡管如此，能像人或者其它動 物一樣，負載一定的重量，并在惡劣非結構環境下實現跑跳是跳躍機器人研究的 終極目標.未來跳躍機器人也將成為一種在非結構環境下的交通或者運輸工 具.在這一方面，美國軍方的big dog項目已經開展研究。4. 2復合運動模式設計跳躍運動模式具有很強的越障能力，但在平坦地面環境下，單一跳躍模式可 能效率較低，與環境氏時

22、間沖擊將降低機器人的可靠性和使用壽命.未來將跳躍 運動模式同其他運動模式例如輪式、滾式、履帶式以及多腿式相結合仍是提高機 器人運動高效性、穩定性，增強其應用空間的一種方法。從仿生的角度來看，單 一跳躍運動模式的動物并不多見，模仿人或四足動物的多足行跑跳，模仿螞蚱的 e行跳躍相結合的運動模式，模仿青蛙的兩棲運動模式，將會給仿生復合運動模 式設計帶來更多的靈感。4. 4微型結構及驅動設計微型化的跳躍機器人具有更好的跳躍性能，微型化跳躍機器人成木低，能實 現了母式和群體式作業，個體或者部分失效仍能完成任務，能滲入危險、狹縫空 間，整體魯棒性和適應性強，應用前景最為可觀.隨著各種先進新能源、新材料、

23、mems (微機電系統)技術的快速發展，微型彈跳機器人將得到快速發展。5 結束語(conclusions)跳躍機器人的研究主耍圍繞仿生理論探索研究和面向于應用的研究兩方面 開展，兩者存在差別，也冇相互借鑒之處。動力來源與能量效率、動態穩定控制、著地碰撞和 緩沖是跳躍機器人研究的關鍵技術，未來跳躍機器人研究可以從面向實際應用， 設計、復合運動模式設計、柔性機構及驅動設計和微型結構及驅動設計四方面開 展。參考文獻(references)1 alexander r m n. principles of animal locomotion m. princeton,usa: princeton university press, 2003.2 siegwart r, nourbakhsh i r. introduction to autonomous mobile robots mj. cambridge, usa: mit press, 2004.3 raibertmh. legged robots that balance mj. cambridge, usa: mit press, 1986.4 alexa nder r m leg desig n and jumping technique for huma ns