跳躍機器人研究綜述

1仿生主動物動物理特性目前，移動機器人使用的主要運動模式是傾斜驅動，傾斜驅動是人類改造自然界、出現道路的產物，不能適應復雜地形，越障能力。隨著機器人廣泛應用的普及，機器人逐漸應用于人類無法深入的惡劣條件下的未知非環境中，探索和轉化自然界，為人類服務。對于未知非結構環境，機器人需要具備較強的地形適應性、高效的運動模式和自主運動能力。從自然界中的生物來看,動物采用的主要運動模式是步行、爬行、跳躍、飛行和游動.由于跳躍運動其著地點的離散性和發力的突發性和爆發性,自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.動物跳躍運動模式被國內外許多學者所關注,生物學家Benne-Clark發現跳蚤利用腿部彈射機構實現非線性力,使能量在跳躍初始階段釋放較慢,而在離地起跳瞬間釋放更多的能量從而實現很好的跳躍性能;Alexander的研究發現脊椎動物沒有進化的彈跳機構,而主要通過地面的反作用力實現彈跳,較長的腿部尺寸和較小的腿部質量都有利于脊椎動物彈跳性能的提高.Patek等人研究了蝦蛄的彈跳性能,并用連桿機構模擬能量的放大效應.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.本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,結合本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提供參考.2生物應動中染騎馬式跳飛運動機理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面存在不同,但是兩者有著共同的特征(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,其研究經歷了從質量彈簧振子、伸縮倒立擺到單腿多關節的過程,并且大多數研究集中在具有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.面向實際應用的跳躍機器人研究起源于星際探索,低重力星面環境導致傳統輪式或履帶式機器人與地面產生的驅動摩擦力變小,輪式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:伸縮式、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.2.1類型模型研究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生彈跳動力,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,伸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.平面2自由度跳躍機器人主要有移動副和繞平面的轉動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個胳膊.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,幾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,停跳時會發生傾倒.(2)連續跳躍,起跳、騰空、觸地等多運動相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.提高能量效率是已經開展并需要繼續深入研究的問題.2.2點觸腳性別和動態欠驅動控制關節腿式跳躍機器人比伸縮式倒立擺式機器人更具有仿生特征.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,各部分采用鉸鏈連接,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.與伸縮倒立擺式跳躍機器人不同的是,關節腿式跳躍機器人既有點觸腳又有平面腳,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.點觸腳機器人運動形式為連續跳躍運動模式,表3中(a)~(c)都是將腳與地面的接觸簡化為單點接觸,跳躍方式為連續型周期跳躍.在機構結構上,點觸腳跳躍機器人的整體重心不在其對稱中心上,跳躍過程中不斷發生變化,并且存在腳與地面的冗余度,是一個欠驅動系統,非對稱結構和欠驅動特性導致點觸腳機器人不能平穩站立.Raibert等人指出,在跳躍過程中,較大的腿部質量將影響機器人身體向前移動.因此,在以上3種點觸腳跳躍機器人模型中,驅動系統和控制負重都集中在身體上部,使腿部質量減小,身體重心上移,這一設計思想與Alexander的仿生彈跳理論相符.在研究內容上,其欠驅動控制以及跳躍軌跡優化方法是重點,兩連桿Acrobot模型是最簡單的點觸腳式跳躍機器人模型,文[31-32]提出了兩連桿Acrobot站立狀態控制方法,分析了滑行和跳躍步態.Mita提出時間最優控制方法控制具有初始角動量的Acrobot跳躍機器人在飛行狀態的姿態調節.Vermeulen建立了三連桿點觸腳跳躍機器人動力學模型,考慮角動量守恒,并且將地面與腳的接觸當作純剛體碰撞,提出了跳躍路徑軌跡規劃方法.平面腳跳躍機器人,如表3中(d)~(g)所示,在站立狀態時與地面多為面接觸或者多點接觸,具有腳掌仿生特性,跳躍方式為間歇式非周期跳躍.由于在騰空起跳階段存在面接觸以及腳尖相對于地面發生轉動兩個過程,腳部旋轉指示點(FRI)繞腳觸地點旋轉,當腳尖發生旋轉時導致被動自由度,引起欠驅動.完全驅動到欠驅動過程的研究比點觸腳跳躍機器人復雜.盡管文[27-28]中認為在起跳和落地過程中腳掌平動,不會發生旋轉,采用適合于步行的零力矩點(ZMP)方法實現了平面角跳躍機器人的運動軌跡規劃,但是腳尖旋轉引起的欠驅動能夠減小能耗,同時更符合生物跳躍步態特征.Goswami在腳與地面之間的夾角小于一定值時將其等效成彈簧阻尼模型,超過該角度彈簧阻尼系統失效,變為欠驅動過程,采用“開關零動態”的方法實現了機器人穩定著地.該方法的優點在于模擬了腳與地面的柔性接觸,同時考慮了腳尖旋轉引起的欠驅動現象.欠驅動的存在導致軌跡規劃困難,Wu提出了一種考慮平面腳旋轉引起欠驅動的穩定跳躍軌跡規劃方法.考慮到腳與地面碰撞引起的沖擊,柔性驅動和變剛度機構也都應用到跳躍機器人設計中,用于緩解沖擊,提高穩定性和彈跳性能.表4比較了點觸腳和平面腳跳躍機器人兩者的差異和共同點.正是由于平面腳存在全驅動和欠驅動相,因此在步態和研究上存在很大的差異,但兩個模型都存在欠驅動控制以及能量效率問題.基于零動態的欠驅動研究方法以及基于柔性機構和驅動的方案兩者都需要繼續深入研究.2.3種典型的設計方案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,有效地越過障礙物,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面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),其特征性能見表5.Kim等人設計的機器人通過錐形彈簧的伸縮儲能,釋放彈簧實現機器人彈跳,見圖2(a),錐形彈簧提供非線性彈跳力,有利于跳躍性能的提高.ScoutRobot通過繩索拉動卷簧使其收縮的方式實現能量儲存,見圖2(c).這兩種方案的共同點是反方向運動對應的是儲能狀態,輪式驅動只能單向驅動.Leg-in-Rotor見圖2(b),采用氣動的方式,通過氣缸伸縮儲能實現彈跳,并解決了只能單向驅動的問題.Song等人采用對稱齒輪六桿機構,實現非線性彈跳力放大.UrbanHopper和Mini-Whegs與以上四種輪式機器人不同的是采用了四輪式驅動,四輪式機器人發生傾翻后不容易復位,兩輪式倒立擺模型在重力作用下有自穩定特性,所以更多的設計集中在兩輪跳躍機器人.美國軍方研制的UrbanHopper由于采用了燃氣動力,驅動功率大,驅動速度快,跳躍性能高,為減小落地時與地面的沖擊,車輪采用吸震橡膠,著地時通過橡膠輪的塑性變形吸收能量緩解沖擊.目前,UrbanHopper和ScoutRobot是真正能實現應用的跳躍機器人.滾式跳躍機器人又稱球形機器人,由于采用了球形表面,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,在所有彈簧合力的作用下實現彈跳,表5中的Bathrobot可等效為此種方法;(2)反向合力,見圖2(e),在氣腔噴出的氣體矢量力的作用下,向固定的方向運動,例如表5中的RATS;(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,例如Microgravityrover和Hopper.輪式跳躍和滾式跳躍機器人均采用了混合運動模式,提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,表6對兩種混合運動模式的優缺點及其應用范疇進行了比較.2.4彈響合金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、利用晝夜溫差儲能的星面探測跳躍機器人;圖4(d)、(e)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;(2)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.3跳躍機器人的關鍵技術3.1柔性驅動結構設計目前,跳躍機器人采用的動力能源方式有多種,主要包括太陽能、電能、液壓、氣壓、燃氣動力.從以上研究現狀可以看出,采用液壓燃氣驅動方式的機器人整體質量和體積較大,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,因此液壓燃氣驅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驅動方式,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.本課題組采用液壓電控方式設計一種單腿負重跳躍機器人,見圖5,3個液壓缸分別驅動3個關節,與地面之間是平面腳接觸;但跳躍性能受到整體質量大、液壓缸供油速度慢的限制,相關技術有待進一步研究.面向于應用的微小型跳躍機器人一般采用電能作為動力來源,利用直流電機驅動,但其能量和功率輸出有限,輕量化、微型化設計能有效地提高能量效率.隨著新能量、新材料技術的發展,新的能源與驅動方式也不斷涌現.麻省理工學院設計了一種質子交換膜液氫燃料電池用于一種球形跳躍機器人,見圖6,由于氫燃料密度小,實現了微型化設計,并計劃用于星面探測和救援搜尋.高密度太陽能供電、新型晝夜溫差能量儲存材料也被用于星際探索跳躍式機器人研究.本課題組在國家863項目的資助下,設計適合于星面探索的變桿長儲能仿生跳躍機器人,利用滾珠絲杠傳動通過小功率驅動電機驅動閉鏈機構使彈簧拉伸,見圖7.為適應星面探索環境的需求,左圖方案采用嵌入式太陽能板供電,同時提出一種變傳動比跳躍模型并嘗試運用于救援搜尋領域.從能量效率角度來看,跳躍機器人起跳瞬間需要提供很大爆發力,而落地沖擊過程造成大量能量的損失,因此無論從理論研究還是實際應用角度,提高能量效率是跳躍機器人研究的關鍵技術之一.3.2仿生跳軌理論研究對于伸縮式和關節腿式等連續跳躍機器人而言,其本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垂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.調整飛行狀態的方法會導致角動量發生變換,很難實現動態穩定平衡.跳躍機器人是一個多運動相(起跳相、飛行相、落地相)交替出現的非線性混合系統,然而跳躍機器人并非以單一的連續周期性跳躍模式存在,當出現間歇跳躍時,傳統的周期性非線性龐加萊界面、零動態以及極限環方法不再適用.動態穩定研究不僅是仿生跳躍理論方面有待解決的難點,同時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著地碰撞仿真模型對于著地碰撞過程,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.彈簧阻尼碰撞模型考慮到地面接觸環境的影響,同時能進行能量耗散分析,但彈簧阻尼碰撞模型的參數難以確定.同時落地碰撞造成沖擊振動導致穩定性降低、機器人疲勞壽命降低以及能量高耗損,柔性機構和柔性驅動是進行緩沖、提高能量效率的有效方法.變剛度機構及驅動是跳躍機器人進行緩沖的有效方法.本課題組對于著地碰撞過程的研究主要基于變截面腳以及柔性腳,從理論角度分析在不同拓撲結構形狀腳面和不同柔性材料腳面的剛度變化,圖8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跳不進的機器人研究和發展方向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面還存在許多問題有待解決.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面進行:4.1在載荷作用上的應用前景廣闊由于跳躍機器人在非結構環境下具有越障優勢,未來對面向應用的跳躍機器人的需求越來越大.隨著UrbanHopper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CastingHopper、ScoutRobot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BigDog項目已經開展研究.4.2