跳跃机器人研究现状和趋势

1、跳跃机器人研究现状和趋势测控一班3012202006胡凌皓要：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 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 未知非结构环境屮探索和改造自然界，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

5、于跳跃运动其着地点的离散性和发力的突发性和爆发性，口然界中的许多 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。木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 合木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 际应用捉供参考。2跳跃机器人分类

6、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而存在不同，但 是两者冇着共同的特征(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， 其研究经丿力了从质量弹簧振子、仲缩倒立摆到单腿多关节的过程，并冃大多数研 究集屮在具冇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.而向实际应用的跳跃机器人研 究起源于星际探索，低重力星而环境导致传统轮式或履带式机器人与地而产生的 驱动摩擦力变小，轮式

7、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：仲缩式、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。表1跳跃机器人两种研究领域的比较tab. 1 comparison of two research topics about hopping robots项目仿生理论探索研究而向应用的研究研究重点运动规划、稳定性控制调节、 能量最优化跳跃提高越障跳跃性能， 智能化.微型

8、化主要类型 伸缩倒立摆式： 单腿关节式 轮跳结合式； 滚跳结合式研究意义了解仿生跳跃机理、 先进理论控制方法， 为负重跑跳机器人 提供参考星际探索、 考古探测、 军事侦察、 救援搜寻共冋点离散运动特征，能虽存储，落地稳宦平衡性， 新能源、新材料支持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牛弹跳动力，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，仲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

9、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。平而2自由度跳跃机器人主要冇移动副和绕平而的转动 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nhkh图1伸缩倒立摆式跳跃模型figj telescopic inverted pendular hopping models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

10、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，儿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，停跳时会发生倾侄(2) 连续跳跃，起跳、腾空、触地等多运动和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

11、率是已经开展并需要继续深入研究的问题。表2几种典型伸缩倒立抿跳跃机器人研究分析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.模型种类:(a)；简化raibert单 自由度模型,验证raibert离散 非线性控制方法是单峰映射闭 环动态控制【.模型种类：(ch raibert模型, 基于对称约束的解耦控制算法 控制机器人向前运动，并且实 现对弹跳奇度、身休方向的控 制卩叫 模型种类:(c)； arl monopod ii，提出可控被动控制策略, 设计

12、自适应能虽控制器.实现 速度为1.3m/s的能量消耗最 小的跳跃2.模型种类:(d)：双臂柔性欠驱 动模型.提岀时变控制算法, 对垂心运动以及机器人转向进 行控制"叫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冇仿生特征.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，各部分采用较链 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

13、缩倒立摆式跳跃机器人不同的 是，关节腿式跳跃机器人既冇点触脚又冇平面脚，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 液压驱动。uniroo是带尾巴的四关节仿袋鼠模型，总质最6.6 kg.通过控制调节也 动量到较小值实现01.8 m/s速度变化和平稳跳跃，验证了较小角动 量对实现跳跃平衡，口然界生物也是通过调节角动量到最小来实现跳跃平衡 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

14、欠驱动现彖，提出 2个稳定性评价指标一一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 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。 电机变刚度驱动。chobinold丿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 度一力矩关系特性，提高了弹跳性能，同时起到缓解冲击的作川。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

15、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，冇效地越过障碍物，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而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)。(a)(b)(c)(d)(c)图2跳跃实现方案示意图fig.2 methods of achieving hopping locomotion滚式

16、跳跃机器人又称球形机器人，由于采用了球形表而，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 所冇弹簧合力的作用下实现弹跳；(2) 反向合力，见图2(c),在气腔喷岀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，捉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

17、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 用昼夜温羌储能的星面探测跳跃机器人；图4(d)、(0)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； 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。图4弹性变形跳跃机器人

18、fig4 flexible hopping robots3跳跃机器人关技术 (key technologiesof 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，主要包描太阳能、电能、液 压、气压、燃气动力。从以上研究现状可以看出，采用液压燃气驳动方式的机器 人整休质量和休积较大，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，因此液压燃气驶动是跳跃机器人 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张动方式，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

19、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，其木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乖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，同吋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

20、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 anddevelopment 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 化等方而述存在许多问题冇待解决.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而进行：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

21、，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，与环境氏时

22、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 e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木低，能实 现了母式和群体式作业，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、

23、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耍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，也冇相互借鉴之处。动力來源与能量效率、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. 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