跳跃机器人研究现状和趋势.docx

跳跃机器人研究现状和趋势测控一班3012202006胡凌皓摘要：跳跃运动其着地点的离散性和发力的突发性和爆发性使跳跃运动模式的仿生机器人具备很强的越障和环境适应能力。本文结合国内外跳跃机器人的研究现状和成果，将跳跃机器人研究分为伸缩式、关节腿式、轮滚式和弹性变形式4 类，并分析各类机器人特征结合本课题组对跳跃机器人的研究，总结了跳跃机器人研究的关键技术，最后展望了未来跳跃机器人研究发展趋势。关键词：跳跃运动；跳跃机器人；仿生机器人Research Status and Development Trend of Hopping RobotsAbstract: Hopping locomotion has characteristics of isolated footholds, and powerful and explosive hopping force, which makes bio-inspired robots with hopping locomotion have the ability of jumping over obstacles and the environmental adaptability. IN this paper, hopping robots are divided into four categories on the basis of 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 technologies are proposed. Finally, the development trends of hopping robots in future are predicted. Keywords: hopping locomotion; hopping robot; bio-inspired robot.1 引言目前，移动机器人采用的主要运动模式是轮式驱动。轮式驱动是人类改造自然界、路面出现后的产物，不能适应复杂地形，越障能力差。随着机器人应用范围的日益广泛，机器人将逐步应用于人类所无法深入到的条件恶劣、地形复杂的未知非结构环境中探索和改造自然界，为人类服务未知非结构环境要求机器人必须具有较强的地形适应能力、高效的运动模式和自主运动能力。由于跳跃运动其着地点的离散性和发力的突发性和爆发性，自然界中的许多动物将跳跃运动作为克服大自然环境、逃避敌害和高效捕食的一种运动模式。跳跃机器人的应用需求及动物跳跃仿生灵感，给近年跳跃机器人的研究注入新的活力，无论是仿生跳跃理论研究方面还是跳跃机器人实际应用方面都取得大量的成果。本文从仿生跳跃理论研究方面和跳跃机器人实际应用方面分析国内外有关跳跃机器人的研究成果，并从实现方式的角度进行分类和综述；在此基础上，结合本课题组对跳跃机器人的研究，分析跳跃机器人的关键技术，并对未来跳跃机器人的研究方法及趋势进行分析，以期望对未来跳跃机器人的研究以及更多的实际应用提供参考。2 跳跃机器人分类及研究现状目前对于跳跃机器人的研究主要有仿生跳跃理论研究和面向于实际应用的研究尽管两类跳跃机器人在研究重点、类型方法和研究意义方面存在不同，但是两者有着共同的特征（见表1）。仿生跳跃理论研究主要集中在将3维空间高自由度的跳跃运动简化为2 维平面仿生模型，使其实现低维空间的跳跃运动，其研究经历了从质量弹簧振子、伸缩倒立摆到单腿多关节的过程，并且大多数研究集中在具有生物特性的连续跳跃模式，能深入了解生物平稳跳跃运动机理，为未来仿人、仿多足类机器人的跑跳运动提供参考面向实际应用的跳跃机器人研究起源于星际探索，低重力星面环境导致传统轮式或履带式机器人与地面产生的驱动摩擦力变小，轮式或履带式移动机器人的运动高效性优势被削弱，同时低重力环境也有助于提高跳跃机器人的跳跃性能近几年，应用于室内巡视、野外探测、救援搜寻的跳跃机器人开始崭露头角，跳跃机器人的应用领域、实现方式不断拓展。以下根据结构方式将跳跃机器人分为4 类：伸缩式、关节腿式、轮滚式、弹性变形式，结合近年研究新成果，分析运动实现方式和跳跃特性。2.1 伸缩式跳跃机器人伸缩式跳跃机器人也称为弹簧振子倒立摆模型（SLIP），模型结构图如图1 所示，该模型的重量集中在身体上部，下部为质量近似忽略的弹簧腿，主要靠腿部弹簧沿移动副方向储能产生弹跳动力，弹跳力的提供方式有气动、液压驱动和电机驱动如图1 所示，根据自由度的不同，伸缩式倒立摆模型主要分为4 种形式：(1) 单自由度模型。在矢平面内限制在水平方向上平动和平面转动，只分析在垂直方向移动，即只研究跳跃机器人跳跃高度和稳定性。(2) 2自由度模型。平面2自由度跳跃机器人主要有移动副和绕平面的转动2 个自由度。(3)3自由度模型。3自由度跳跃机器人在身体和弹簧腿间增加了一个转动副，身体充当平衡臂，通过调整转动角度来实现其动态平衡。(4) 4自由度模型。在2自由度模型基础上增加2个转动臂，模拟人的2个胳膊。伸缩式倒立摆式跳跃机器人是一种简化的腿部无关节跳跃模型，Raibert 从理论和实验上证明了单关节实现连续跳跃的可行性，其它模型研究大多建立在Raibert 单腿机器人基础上，几种典型模型研究见表2伸缩倒立摆跳跃机器人的特征主要有：(1) 单点触地，由于初始位置不能实现自动调节，需要外界调节到特定的初始跳跃角度才能实现平稳起跳，并且一般不能实现平稳停跳，停跳时会发生倾倒。(2) 连续跳跃，起跳、腾空、触地等多运动相形成一个复杂的非线性混合系统因此，目前的研究多集中在连续弹跳运动动态稳定性、非线性动力学及控制理论方面。(3) 触地碰撞，在触地过程中存在与地面的碰撞冲击，造成能量损失，目前研究多采用柔性弹簧腿缓解冲击并减小能量损失，同时，弹簧刚度阻尼特性以及控制算法均影响能量效率提高能量效率是已经开展并需要继续深入研究的问题。2.2 关节腿式跳跃机器人关节腿式跳跃机器人比伸缩式倒立摆式机器人更具有仿生特征关节腿式跳跃机器人模仿人或者动物关节，身体结构部分采用多连杆代替，各部分采用铰链连接，形成一个开链式仿生结构模型，具有仿生跳跃步态各关节的驱动方式主要有弹簧驱动、电机直接驱动、液压驱动、气动驱动在驱动力的作用下，机器人的质心加速到一定速度，脚底逐渐失去与地面的接触最终实现弹跳表3介绍了几种典型的关节式跳跃机器人的研究成果与伸缩倒立摆式跳跃机器人不同的是，关节腿式跳跃机器人既有点触脚又有平面脚，前者依靠单点与地面接触，后者通过类似动物脚掌的装置与地面接触。表3 几种典型关节腿式跳跃机器人分析Tab.3 Analysis of some typical articulated hopping robots典型研究特征、方法及成果l 液压驱动。Uniroo是带尾巴的四关节仿袋鼠模型，总质量6.6 kg通过控制调节角动量到较小值实现0 1.8 m/s 速度变化和平稳跳跃，验证了较小角动量可实现跳跃平衡，自然界生物也是通过调节角动量到最小来实现跳跃平衡l 电机驱动。BRAIL 2.0 将脚和地面当作弹簧阻尼系统，考虑脚掌的欠驱动现象，提出2个稳定性评价指标 临界指数指标和临界动力学指标，采用切换零动态的闭环控制方法，实现跳跃机器人落地的稳定性l 气动人工肌肉驱动。Mowgli 利用人工肌肉作为驱动装置设计了一种开环控制方法，实现了仿生稳定跳跃。l 电机变刚度驱动。Chobino1D 应用一种变刚度机构，通过改变圆盘形状实现不同的关节角度力矩关系特性，提高了弹跳性能，同时起到缓解冲击的作用。2.3 轮滚式跳跃机器人面向实际应用的跳跃机器人，要求机器人具有一定的越障能力，同时还要求机器人在移动的过程中保持高效、稳定仿生理论研究在稳定性、可控性方面存在许多技术难题，与其他运动方式例如轮式、滚动相结合，成为面向应用的跳跃机器人提高稳定性和高效性的一种方法。传统轮式机器人只能在相对比较平坦的地面上移动，但轮式移动机器人可控性强，能实现速度、方向和位置的准确定位，运动效率、可靠性高。将轮式和跳跃运动相结合，充分利用两种模式的长处，在平坦地面采用轮式驱动模式，提高机动速度，遇到障碍物时，转换成跳跃模式，有效地越过障碍物，满足了非结构环境下高效移动和越障的要求。轮式移动和跳跃结合是目前面向应用设计采用最多的一种方式。几种典型的设计方案见图2(a) (f)。 滚式跳跃机器人又称球形机器人，由于采用了球形表面，可实现自稳定，不存在倾翻现象，但同时导致不能精确定位。球形跳跃机器人的实现主要采用3 种策略：(1) 弹簧式，见图2(d)，内部弹簧实现不同程度的变形，弹簧释放时，在所有弹簧合力的作用下实现弹跳；(2) 反向合力，见图2(e)，在气腔喷出的气体矢量力的作用下，向固定的方向运动；(3) 内部力，见图2(f)，在力的作用下，内部质量块加速到一定的速度实现弹跳。轮式跳跃和滚式跳跃机器人均采用了混合运动模式，提高了跳跃机器人的稳定性、高效性，但两种混合运动模式存在差异。2.4 弹性变形跳跃机器人弹性变形跳跃机器人模仿生物腿部柔性弹射机构，通过变形储能，释放能量实现跳跃随着各种记忆合金和可变形弹性材料的出现，该类机器人成为近几年的研究热点图4(a)的弓形机器人利用弹簧片储存能量，实现单腿跳跃；图4(b) 利用簧片设计一种六足可转向跳跃机器人；图4(c) 是由特殊记忆合金制成、利用昼夜温差储能的星面探测跳跃机器人；图4(d)、(e) 是一种电压驱动记忆合金跳跃机器人；图4(f) 是利用簧片设计的一种单向力微型机器人。弹性变形跳跃机器人特征是：(1) 依靠变形储存弹性能量，落地时吸收能量，缓解冲击；(2) 落地时吸收缓冲能量，并进行储存，循环利用，能量利用率高；(3) 由于所采用的材料不同，因此实现和控制方式一般不同。3 跳跃机器人关键技术（Key technologies of hopping robots）3.1 动力来源与能量效率目前，跳跃机器人采用的动力能源方式有多种，主要包括太阳能、电能、液压、气压、燃气动力。从以上研究现状可以看出，采用液压燃气驱动方式的机器人整体质量和体积较大，很难实现嵌入式结构，但是由于该方式能够提供较大的输出功率，并且具备一定的冲击过载保护功能，因此液压燃气驱动是跳跃机器人动力来源的主要选择方式，也是未来负重跳跃机器人的必选驱动方式，而未来的关键技术是设计合理的柔性驱动结构和高效的控制方式提高其能量效率。3.2 动态稳定控制对于伸缩式和关节腿式等连续跳跃机器人而言，其本身是高自由度机构实现低维空间运动的静不稳定系统，较高的前向运动速度和较大的步幅提高了运动高效性和越障能力，同时也导致运动过程中机器人重心垂地投影远离着地脚所在多边形区域垂地投影，不能用静态ZMP 平衡条件进行分析。动态稳定研究不仅是仿生跳跃理论方面有待解决的难点，同时这些理论方法为面向实际应用的跳跃机器人实现平稳跳跃、减少落地时倾翻提供理论支持和方法。3.3 着地碰撞和缓冲对于着地碰撞过程，前期研究模型大多为弹簧质量模型，而关节式跳跃机器人不能简单等效于弹簧压缩许多研究成果将着地碰撞假设为刚体碰撞接触过程进行分析，但这种分析是一种理想假设，没有考虑地面环境变化，实际接触模型复杂。利用实验的方法分析不同刚度变化趋势对着地缓冲和稳定性的影响，然而，具有生物肌肉肌腱特性的柔性机构和驱动方式还需要进一步研究。4 研究方法与趋势（Research methods and development trends）跳跃机器人研究在基本的理论成果方面和实际应用方面都取得一定进展，但仍存在许多挑战性的难题，除上述关键技术以外，在新材料、智能控制以及微型化等方面还存在许多问题有待解决根据上述研究分析，可预测未来跳跃机器人的研究和发展方向将围绕以下几个方面进行：4.1 面向实际应用的设计由于跳跃机器人在非结构环境下具有越障优势，未来对面向应用的跳跃机器人的需求越来越大随着Urban Hopper 机器人在美国军方应用，以及面向于救援、搜寻、巡视的跳跃机器人Casting Hopper、Scout Robot 的应用，可以看出未来微小型化跳跃机器人将有更大的应用需求价值尽管如此，能像人或者其它动物一样，负载一定的重量，并在恶劣非结构环境下实现跑跳是跳跃机器人研究的终极目标未来跳跃机器人也将成为一种在非结构环境下的交通或者运输工具在这一方面，美国军方的Big Dog 项目已经开展研究。4.2 复合运动模式设计跳跃运动模式具有很强的越障能力，但在平坦地面环境下，单一跳跃模式可能效率较低，与环境长时间冲击将降低机器人的可靠性和使用寿命未来将跳跃运动模式同其他运动模式例如轮式、滚式、履带式以及多腿式相结合仍是提高机器人运动高效性、稳定性，增强其应用空间的一种方法。从仿生的角度来看，单一跳跃运动模式的动物并不多见，模仿人或四足动物的多足行跑跳，模仿蚂蚱的飞行跳跃相结合的运动模式，模仿青蛙的两栖运动模式，将会给仿生复合运动模式设计带来更多的灵感。4.4 微型结构及驱动设计微型化的跳跃机器人具有更好的跳跃性能，微型化跳跃机器人成本低，能实现子母式和群体式作业，个体或者部分失效仍能完成任务，能渗入危险、狭缝空间，整体鲁棒性和适应性强，应用前景最为可观随着各种先进新能源、新材料、MEMS（微机电系统）技术的快速发展，微型弹跳机器人将得到快速发展。5 结束语（Conclusions）跳跃机器人的研究主要围绕仿生理论探索研究和面向于应用的研究两方面开展，两者存在差别，也有相互借鉴之处。动力来源与能量效率、动态稳定控制、着地碰撞和缓冲是跳跃机器人研究的关键技术，未来跳跃机器人研究可以从面向实际应用，设计、复合运动模式设计、柔性机构及驱动设计和微型结构及驱动设计四方面开展。参考文献（References）1 Alexander R M N. 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