基于速度可操作度的跳躍機構(gòu)結(jié)構(gòu)設計和優(yōu)化

摘要：【目的】跳躍機器人在當今移動機器人技術(shù)領(lǐng)域因其獨特的優(yōu)勢而得到廣泛研究，其結(jié)構(gòu)設計對于提高機器人的跳躍性能具有重要意義，但目前跳躍機構(gòu)存在結(jié)構(gòu)復雜、穩(wěn)定性和傳速性能較差的問題?！痉椒ā恳虼耍O計了一種單自由度閉鏈六桿跳躍機構(gòu)，并引入速度可操作度作為衡量機構(gòu)傳速性能的指標，利用粒子群優(yōu)化算法對機構(gòu)進行了優(yōu)化?！窘Y(jié)果】結(jié)果表明，優(yōu)化后的機構(gòu)跳躍速度相較優(yōu)化前提高了21. 76%，水平方向的跳躍距離和豎直方向的跳躍高度分別提升了48. 00%和48. 57%，驗證了跳躍機構(gòu)的合理性。

關(guān)鍵詞：跳躍機構(gòu)；速度可操作度；多優(yōu)化準則；優(yōu)化目標

中圖分類號：TP242 DOI：10. 16578/j. issn. 1004. 2539. 2025. 04. 008

0 引言

跳躍機器人因其出色的運動能力在當今機器人技術(shù)領(lǐng)域受到廣泛研究，其往往能夠跨越數(shù)倍甚至十倍于自身尺寸的障礙物。相較于輪腿式移動機器人，跳躍機器人在應對復雜環(huán)境和越障任務時，展現(xiàn)了獨特的環(huán)境適應能力和良好的風險規(guī)避能力[1]。開展跳躍機器人研究，對于推動機器人技術(shù)的前沿研究和發(fā)展具有重要意義。

目前，跳躍機器人跳躍機構(gòu)主要有基于彈簧負載倒立擺（Spring Load Inverted Pendulum， SLIP）模型的跳躍機構(gòu)[2]、仿生開鏈跳躍機構(gòu)和閉鏈多連桿跳躍機構(gòu)[3]。其中，基于SLIP模型的跳躍機構(gòu)和仿生開鏈跳躍機構(gòu)均具有優(yōu)異的解耦性和靈活性，但這兩類機構(gòu)一般具有多個自由度，運動控制較為困難。相較之下，閉鏈多連桿機構(gòu)通常具有更好的穩(wěn)定性和剛性，能夠提供更精確和更可控的運動，使其在跳躍機構(gòu)的應用方面具備顯著優(yōu)勢。常用的閉鏈多連桿跳躍機構(gòu)主要有電動機驅(qū)動、線性彈簧或扭簧驅(qū)動、氣動或液壓驅(qū)動等[4]。柏龍等[5]設計了一款電動機驅(qū)動的仿袋鼠間歇跳躍機器人，利用電動機-絲桿螺母傳動裝置改變機構(gòu)桿件長度，從而控制機器人進行跳躍。鄭帆[6]提出了一款八連桿單驅(qū)動跳躍機器人，通過電動機控制彈簧的蓄能與釋放，實現(xiàn)機構(gòu)的跳躍功能。莊昌瑞[7]設計了一款仿家貓?zhí)S機器人，將跳躍機構(gòu)設計為鉸鏈四桿機構(gòu)，兩搖桿分別設計為機器人的小腿和軀干，利用電動機帶動與搖桿相連的同步帶機構(gòu)，實現(xiàn)機構(gòu)的跳躍。如上所述，目前常見的跳躍機器人通常使用連桿機構(gòu)對彈簧進行壓縮蓄力，而連桿在運動中的慣性變化會極大影響機構(gòu)的穩(wěn)定性和控制性能，從而增大了機器人系統(tǒng)設計和實施的難度。

跳躍機器人在運動過程中，尤其是在執(zhí)行跳躍瞬間需要較大的爆發(fā)速度。當前解決此問題的主流研究方法主要集中在提高機構(gòu)的輸入設備功率，如大功率的電動機、氣缸等；但大功率輸入設備往往存在體積大、質(zhì)量大的缺點，直接影響了機器人的整體性能。因此，近期的研究開始關(guān)注結(jié)構(gòu)優(yōu)化的可行性。通過對跳躍機構(gòu)的結(jié)構(gòu)進行設計和優(yōu)化，改善機構(gòu)輸入和輸出之間的關(guān)系，提高機構(gòu)運動的傳速性能，以期有效提升機器人的跳躍性能。

基于上述情況，針對目前跳躍機器人存在的傳速性能不足的問題，本文設計了一種單自由度閉鏈六桿跳躍機構(gòu)，利用凸輪帶動齒輪對機構(gòu)中滑塊進行驅(qū)動。凸輪驅(qū)動能夠使機器人在彈簧壓縮過程中獲得相對平滑的加速和減速過程，從而減小慣性沖擊，有助于跳躍過程的整體穩(wěn)定性。同時，引入速度可操作度這一指標，對跳躍機構(gòu)的傳速性能進行評價和優(yōu)化，旨在為跳躍機構(gòu)的跳躍性能提升提供一種新的研究思路。