對跳躍機器人研發(fā)的分析

朱梓清

常州科教城，江蘇常州 213001

腿式與輪式機器人研發(fā)較早，但是在地面狀況復雜情況下無法滿足需求，跳躍機器人的優(yōu)勢顯而易見，其在前進過程中能夠?qū)崟r跳躍前進，能夠提高復雜地形通過能力，擴大活動半徑和規(guī)避危險，運用領域更加廣泛。

1 國內(nèi)外跳躍機器人研發(fā)情況

跳躍機器人研究工作是機器人研究領域的一次質(zhì)的飛躍，由于其運用前景極其廣闊，世界上許多國家都將其研究工作作為重要的方面，諸多尖端科研機構已經(jīng)取得了階段性成果。

按照跳躍方式劃分，跳躍機器人具有連續(xù)式跳躍和間歇式跳躍兩種類型，連續(xù)式跳躍機器人在首次跳躍著地之后的很快時間里，要進行下一次的跳躍，在這樣的跳躍過程中，需要對機器人的姿勢以及平衡狀態(tài)實行動態(tài)和實時、全程控制，技術非常復雜。間歇式跳躍機器人的控制技術則要相對簡單一些，因為其跳躍過程中的能量補充、姿勢糾正以及路線制定等項目，均是在地面靜止狀態(tài)中開展，這種機器人研發(fā)更加趨于實用和利于推廣。跳躍機器人結(jié)構主要有伸縮筒型和關節(jié)型跳躍兩種主要類型。

2 跳躍機器人研究路徑

跳躍機器人研究屬于較為尖端的領域，其研究工作涵蓋和涉及到多個學科研究領域，如仿生學、控制學以及機械學等，綜合研發(fā)難度非常明顯。經(jīng)過多年的探究與摸索，目前，跳躍機器人研究工作取得了長足的進展，為跳躍機器人的研究推廣奠定了堅實的基礎。

2.1 跳躍機器人驅(qū)動形式

目前，在跳躍機器人驅(qū)動形式方面，主要有兩種形式，一種為彈力機構驅(qū)動，另一種為內(nèi)能以及化學能驅(qū)動。相對來講，彈力機構驅(qū)動屬于復雜性稍低的驅(qū)動方式，主要借助于機械裝置迸發(fā)的彈力完成跳躍，主要借助于彈簧和彈性桿這些構件來實現(xiàn)，這樣的構建方式主要運用于較為簡單的跳躍機器人，瑞士科學家研制出來的蚱蜢跳躍機器人就屬于這樣的類型。內(nèi)能與化學能驅(qū)動，主要借助于液壓、氣動產(chǎn)生的內(nèi)能或者化學反應產(chǎn)生的化學能實施的跳躍機構，顯著特點就是體積小但驅(qū)動力強勁等，運用此類驅(qū)動能夠減輕跳躍機器人自身體積重量的同時，提高彈跳能力和擴大活動半徑。

2.2 動力學模型建立與分析

在跳躍機器人研究領域，動力學模型研究具有重要地位，涉及到控制、動態(tài)特性以及動力優(yōu)化等諸多方面，在國內(nèi)外跳躍機器人研究領域，較為先進的機器人動力學模型有兩種，分別是仿生關節(jié)型模型以及倒立擺SLIP模型。跳躍機器人動力學模型分析涉及到的數(shù)學研究方法則較為寬泛，有拉格朗日方程法、凱恩方程法以及高斯最小拘束原理法和牛頓-歐拉方程法等。

2.3 跳躍機器人控制研究

在跳躍機器人研究中，控制系統(tǒng)較為核心，主要目標是結(jié)合自己在運動中綜合獲取的各種信息來調(diào)整和維系運動，順利完成整個跳躍前進目標，其控制系統(tǒng)主要為三個層次，首先就是任務的控制，要能夠?qū)χ車h(huán)境進行信息搜集，對自身位置進行運算，綜合形成任務以及路徑謀劃，還要在跳躍前進中對規(guī)劃開展調(diào)整和修改，以實現(xiàn)和環(huán)境變化相適應的目標。其次是跳躍控制，借助于上一層面獲得的信息，對起跳參數(shù)開展規(guī)劃，對姿勢確定、能量儲備與釋放等動作進行操作，實現(xiàn)預定的角度和高度進行跳躍的目標控制。另外是穩(wěn)定控制，跳躍機器人在離地飛行狀態(tài)中實現(xiàn)平衡控制，以及調(diào)整控制好落地前相關角度，在落地之后對姿勢進行調(diào)整控制，不出現(xiàn)翻倒。

3 核心技術研究與未來發(fā)展趨勢

在跳躍機器人研究工作中，有幾項核心技術需要進一步研究，首先就是要提高能量儲存和釋放的有效性，要不斷探究新型材料或者新型機械結(jié)構，實現(xiàn)與動物腱、韌帶以及肌肉相類似的功能作用，同時增強減震緩沖效應。其次，要進一步提高驅(qū)動方式的高效性。在當前研究與運用中，跳躍機器人驅(qū)動方式更多的是采用彈性機構以及液壓、氣動方式驅(qū)動，具有一定的局限性，具體表現(xiàn)為彈性機構驅(qū)動能量運用有限，難以進行高精度控制，液壓和氣動驅(qū)動雖然功率密度高，但是對外部輔助設備要求高，對于擴大跳躍機器人活動范圍產(chǎn)生了制約。要實現(xiàn)驅(qū)動方式的高效，應當積極嘗試其他驅(qū)動方式的探索，減小驅(qū)動裝置體積和提高功率密度。另外，要提高控制的智能化水平。動物在跳躍活動中能夠?qū)崿F(xiàn)平衡和平穩(wěn)，不僅得益于其自身的結(jié)構，還與其智能控制關系密切，要進一步研究基于生物激勵的控制方法，從中樞模式發(fā)生器發(fā)出相位互鎖的周期信號對機器人實現(xiàn)智能化控制，提高機器人跳躍質(zhì)量。

跳躍機器人的研究還要有很長的歷程，目前國際上對多足關節(jié)型跳躍機器人研究取得了突破性進展，其構建與智能控制等方面研究走在了前列，比如美國科學家研制成功的目前處于世界先進水平的bigdog跳躍機器人，移動、越障和跳躍能力超強，是一款具有野外全地形適應能力的跳躍機器人。

綜上所述，跳躍機器人在未來的經(jīng)濟與社會發(fā)展、科技與國防領域等方面，將會產(chǎn)生更加重要的作用，運用前景廣闊，其研發(fā)工作具有重要意義。

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