跳躍機(jī)器人研究綜述

跳躍機(jī)器人研究綜述

1仿生主動(dòng)物動(dòng)物理特性目前，移動(dòng)機(jī)器人使用的主要運(yùn)動(dòng)模式是傾斜驅(qū)動(dòng)，傾斜驅(qū)動(dòng)是人類改造自然界、出現(xiàn)道路的產(chǎn)物，不能適應(yīng)復(fù)雜地形，越障能力。隨著機(jī)器人廣泛應(yīng)用的普及，機(jī)器人逐漸應(yīng)用于人類無法深入的惡劣條件下的未知非環(huán)境中，探索和轉(zhuǎn)化自然界，為人類服務(wù)。對(duì)于未知非結(jié)構(gòu)環(huán)境，機(jī)器人需要具備較強(qiáng)的地形適應(yīng)性、高效的運(yùn)動(dòng)模式和自主運(yùn)動(dòng)能力。從自然界中的生物來看,動(dòng)物采用的主要運(yùn)動(dòng)模式是步行、爬行、跳躍、飛行和游動(dòng).由于跳躍運(yùn)動(dòng)其著地點(diǎn)的離散性和發(fā)力的突發(fā)性和爆發(fā)性,自然界中的許多動(dòng)物將跳躍運(yùn)動(dòng)作為克服大自然環(huán)境、逃避敵害和高效捕食的一種運(yùn)動(dòng)模式.動(dòng)物跳躍運(yùn)動(dòng)模式被國內(nèi)外許多學(xué)者所關(guān)注,生物學(xué)家Benne-Clark發(fā)現(xiàn)跳蚤利用腿部彈射機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)很好的跳躍性能;Alexander的研究發(fā)現(xiàn)脊椎動(dòng)物沒有進(jìn)化的彈跳機(jī)構(gòu),而主要通過地面的反作用力實(shí)現(xiàn)彈跳,較長的腿部尺寸和較小的腿部質(zhì)量都有利于脊椎動(dòng)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(jī)構(gòu)模擬能量的放大效應(yīng).跳躍機(jī)器人的應(yīng)用需求及動(dòng)物跳躍仿生靈感,給近年跳躍機(jī)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(jī)器人實(shí)際應(yīng)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(jī)器人實(shí)際應(yīng)用方面分析國內(nèi)外有關(guān)跳躍機(jī)器人的研究成果,并從實(shí)現(xiàn)方式的角度進(jìn)行分類和綜述;在此基礎(chǔ)上,結(jié)合本課題組對(duì)跳躍機(jī)器人的研究,分析跳躍機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù),并對(duì)未來跳躍機(jī)器人的研究方法及趨勢(shì)進(jìn)行分析,以期望對(duì)未來跳躍機(jī)器人的研究以及更多的實(shí)際應(yīng)用提供參考.2生物應(yīng)動(dòng)中染騎馬式跳飛運(yùn)動(dòng)機(jī)理目前對(duì)于跳躍機(jī)器人的研究主要有仿生跳躍理論研究和面向于實(shí)際應(yīng)用的研究.盡管兩類跳躍機(jī)器人在研究重點(diǎn)、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(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為2維平面仿生模型,使其實(shí)現(xiàn)低維空間的跳躍運(yùn)動(dòng),其研究經(jīng)歷了從質(zhì)量彈簧振子、伸縮倒立擺到單腿多關(guān)節(jié)的過程,并且大多數(shù)研究集中在具有生物特性的連續(xù)跳躍模式,能深入了解生物平穩(wěn)跳躍運(yùn)動(dòng)機(jī)理,為未來仿人、仿多足類機(jī)器人的跑跳運(yùn)動(dòng)提供參考.面向?qū)嶋H應(yīng)用的跳躍機(jī)器人研究起源于星際探索,低重力星面環(huán)境導(dǎo)致傳統(tǒng)輪式或履帶式機(jī)器人與地面產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)摩擦力變小,輪式或履帶式移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)高效性優(yōu)勢(shì)被削弱,同時(shí)低重力環(huán)境也有助于提高跳躍機(jī)器人的跳躍性能.近幾年,應(yīng)用于室內(nèi)巡視、野外探測(cè)、救援搜尋的跳躍機(jī)器人開始嶄露頭角,跳躍機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域、實(shí)現(xiàn)方式不斷拓展.以下根據(jù)結(jié)構(gòu)方式將跳躍機(jī)器人分為4類:伸縮式、關(guān)節(jié)腿式、輪滾式、彈性變形式,結(jié)合近年研究新成果,分析運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)方式和跳躍特性.2.1類型模型研究伸縮式跳躍機(jī)器人也稱為彈簧振子倒立擺模型(SLIP),模型結(jié)構(gòu)圖如圖1所示,該模型的重量集中在身體上部,下部為質(zhì)量近似忽略的彈簧腿,主要靠腿部彈簧沿移動(dòng)副方向儲(chǔ)能產(chǎn)生彈跳動(dòng)力,彈跳力的提供方式有氣動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng).如圖1所示,根據(jù)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(nèi)限制在水平方向上平動(dòng)和平面轉(zhuǎn)動(dòng),只分析在垂直方向移動(dòng),即只研究跳躍機(jī)器人跳躍高度和穩(wěn)定性.(2)2自由度模型.平面2自由度跳躍機(jī)器人主要有移動(dòng)副和繞平面的轉(zhuǎn)動(dòng)2個(gè)自由度.(3)3自由度模型.3自由度跳躍機(jī)器人在身體和彈簧腿間增加了一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副,身體充當(dāng)平衡臂,通過調(diào)整轉(zhuǎn)動(dòng)角度來實(shí)現(xiàn)其動(dòng)態(tài)平衡.(4)4自由度模型.在2自由度模型基礎(chǔ)上增加2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)臂,模擬人的2個(gè)胳膊.伸縮式倒立擺式跳躍機(jī)器人是一種簡(jiǎn)化的腿部無關(guān)節(jié)跳躍模型,Raibert從理論和實(shí)驗(yàn)上證明了單關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)連續(xù)跳躍的可行性,其它模型研究大多建立在Raibert單腿機(jī)器人基礎(chǔ)上,幾種典型模型研究見表2.伸縮倒立擺跳躍機(jī)器人的特征主要有:(1)單點(diǎn)觸地,由于初始位置不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié),需要外界調(diào)節(jié)到特定的初始跳躍角度才能實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)起跳,并且一般不能實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)停跳,停跳時(shí)會(huì)發(fā)生傾倒.(2)連續(xù)跳躍,起跳、騰空、觸地等多運(yùn)動(dòng)相形成一個(gè)復(fù)雜的非線性混合系統(tǒng).因此,目前的研究多集中在連續(xù)彈跳運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性、非線性動(dòng)力學(xué)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(shí),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(jīng)開展并需要繼續(xù)深入研究的問題.2.2點(diǎn)觸腳性別和動(dòng)態(tài)欠驅(qū)動(dòng)控制關(guān)節(jié)腿式跳躍機(jī)器人比伸縮式倒立擺式機(jī)器人更具有仿生特征.關(guān)節(jié)腿式跳躍機(jī)器人模仿人或者動(dòng)物關(guān)節(jié),身體結(jié)構(gòu)部分采用多連桿代替,各部分采用鉸鏈連接,形成一個(gè)開鏈?zhǔn)椒律Y(jié)構(gòu)模型,具有仿生跳躍步態(tài).各關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)方式主要有彈簧驅(qū)動(dòng)、電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng).在驅(qū)動(dòng)力的作用下,機(jī)器人的質(zhì)心加速到一定速度,腳底逐漸失去與地面的接觸最終實(shí)現(xiàn)彈跳.表3介紹了幾種典型的關(guān)節(jié)式跳躍機(jī)器人的研究成果.與伸縮倒立擺式跳躍機(jī)器人不同的是,關(guān)節(jié)腿式跳躍機(jī)器人既有點(diǎn)觸腳又有平面腳,前者依靠單點(diǎn)與地面接觸,后者通過類似動(dòng)物腳掌的裝置與地面接觸.點(diǎn)觸腳機(jī)器人運(yùn)動(dòng)形式為連續(xù)跳躍運(yùn)動(dòng)模式,表3中(a)~(c)都是將腳與地面的接觸簡(jiǎn)化為單點(diǎn)接觸,跳躍方式為連續(xù)型周期跳躍.在機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)上,點(diǎn)觸腳跳躍機(jī)器人的整體重心不在其對(duì)稱中心上,跳躍過程中不斷發(fā)生變化,并且存在腳與地面的冗余度,是一個(gè)欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),非對(duì)稱結(jié)構(gòu)和欠驅(qū)動(dòng)特性導(dǎo)致點(diǎn)觸腳機(jī)器人不能平穩(wěn)站立.Raibert等人指出,在跳躍過程中,較大的腿部質(zhì)量將影響機(jī)器人身體向前移動(dòng).因此,在以上3種點(diǎn)觸腳跳躍機(jī)器人模型中,驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制負(fù)重都集中在身體上部,使腿部質(zhì)量減小,身體重心上移,這一設(shè)計(jì)思想與Alexander的仿生彈跳理論相符.在研究內(nèi)容上,其欠驅(qū)動(dòng)控制以及跳躍軌跡優(yōu)化方法是重點(diǎn),兩連桿Acrobot模型是最簡(jiǎn)單的點(diǎn)觸腳式跳躍機(jī)器人模型,文[31-32]提出了兩連桿Acrobot站立狀態(tài)控制方法,分析了滑行和跳躍步態(tài).Mita提出時(shí)間最優(yōu)控制方法控制具有初始角動(dòng)量的Acrobot跳躍機(jī)器人在飛行狀態(tài)的姿態(tài)調(diào)節(jié).Vermeulen建立了三連桿點(diǎn)觸腳跳躍機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型,考慮角動(dòng)量守恒,并且將地面與腳的接觸當(dāng)作純剛體碰撞,提出了跳躍路徑軌跡規(guī)劃方法.平面腳跳躍機(jī)器人,如表3中(d)~(g)所示,在站立狀態(tài)時(shí)與地面多為面接觸或者多點(diǎn)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(duì)于地面發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)兩個(gè)過程,腳部旋轉(zhuǎn)指示點(diǎn)(FRI)繞腳觸地點(diǎn)旋轉(zhuǎn),當(dāng)腳尖發(fā)生旋轉(zhuǎn)時(shí)導(dǎo)致被動(dòng)自由度,引起欠驅(qū)動(dòng).完全驅(qū)動(dòng)到欠驅(qū)動(dòng)過程的研究比點(diǎn)觸腳跳躍機(jī)器人復(fù)雜.盡管文[27-28]中認(rèn)為在起跳和落地過程中腳掌平動(dòng),不會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn),采用適合于步行的零力矩點(diǎn)(ZMP)方法實(shí)現(xiàn)了平面角跳躍機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃,但是腳尖旋轉(zhuǎn)引起的欠驅(qū)動(dòng)能夠減小能耗,同時(shí)更符合生物跳躍步態(tài)特征.Goswami在腳與地面之間的夾角小于一定值時(shí)將其等效成彈簧阻尼模型,超過該角度彈簧阻尼系統(tǒng)失效,變?yōu)榍夫?qū)動(dòng)過程,采用“開關(guān)零動(dòng)態(tài)”的方法實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人穩(wěn)定著地.該方法的優(yōu)點(diǎn)在于模擬了腳與地面的柔性接觸,同時(shí)考慮了腳尖旋轉(zhuǎn)引起的欠驅(qū)動(dòng)現(xiàn)象.欠驅(qū)動(dòng)的存在導(dǎo)致軌跡規(guī)劃困難,Wu提出了一種考慮平面腳旋轉(zhuǎn)引起欠驅(qū)動(dòng)的穩(wěn)定跳躍軌跡規(guī)劃方法.考慮到腳與地面碰撞引起的沖擊,柔性驅(qū)動(dòng)和變剛度機(jī)構(gòu)也都應(yīng)用到跳躍機(jī)器人設(shè)計(jì)中,用于緩解沖擊,提高穩(wěn)定性和彈跳性能.表4比較了點(diǎn)觸腳和平面腳跳躍機(jī)器人兩者的差異和共同點(diǎn).正是由于平面腳存在全驅(qū)動(dòng)和欠驅(qū)動(dòng)相,因此在步態(tài)和研究上存在很大的差異,但兩個(gè)模型都存在欠驅(qū)動(dòng)控制以及能量效率問題.基于零動(dòng)態(tài)的欠驅(qū)動(dòng)研究方法以及基于柔性機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)的方案兩者都需要繼續(xù)深入研究.2.3種典型的設(shè)計(jì)方案面向?qū)嶋H應(yīng)用的跳躍機(jī)器人,要求機(jī)器人具有一定的越障能力,同時(shí)還要求機(jī)器人在移動(dòng)的過程中保持高效、穩(wěn)定.仿生理論研究在穩(wěn)定性、可控性方面存在許多技術(shù)難題,與其他運(yùn)動(dòng)方式例如輪式、滾動(dòng)相結(jié)合,成為面向應(yīng)用的跳躍機(jī)器人提高穩(wěn)定性和高效性的一種方法.傳統(tǒng)輪式機(jī)器人只能在相對(duì)比較平坦的地面上移動(dòng),但輪式移動(dòng)機(jī)器人可控性強(qiáng),能實(shí)現(xiàn)速度、方向和位置的準(zhǔn)確定位,運(yùn)動(dòng)效率、可靠性高.將輪式和跳躍運(yùn)動(dòng)相結(jié)合,充分利用兩種模式的長處,在平坦地面采用輪式驅(qū)動(dòng)模式,提高機(jī)動(dòng)速度,遇到障礙物時(shí),轉(zhuǎn)換成跳躍模式,有效地越過障礙物,滿足了非結(jié)構(gòu)環(huán)境下高效移動(dòng)和越障的要求.輪式移動(dòng)和跳躍結(jié)合是目前面向應(yīng)用設(shè)計(jì)采用最多的一種方式.幾種典型的設(shè)計(jì)方案見圖2(a)~(f),其特征性能見表5.Kim等人設(shè)計(jì)的機(jī)器人通過錐形彈簧的伸縮儲(chǔ)能,釋放彈簧實(shí)現(xiàn)機(jī)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(dòng)卷簧使其收縮的方式實(shí)現(xiàn)能量儲(chǔ)存,見圖2(c).這兩種方案的共同點(diǎn)是反方向運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的是儲(chǔ)能狀態(tài),輪式驅(qū)動(dòng)只能單向驅(qū)動(dòng).Leg-in-Rotor見圖2(b),采用氣動(dòng)的方式,通過氣缸伸縮儲(chǔ)能實(shí)現(xiàn)彈跳,并解決了只能單向驅(qū)動(dòng)的問題.Song等人采用對(duì)稱齒輪六桿機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)非線性彈跳力放大.UrbanHopper和Mini-Whegs與以上四種輪式機(jī)器人不同的是采用了四輪式驅(qū)動(dòng),四輪式機(jī)器人發(fā)生傾翻后不容易復(fù)位,兩輪式倒立擺模型在重力作用下有自穩(wěn)定特性,所以更多的設(shè)計(jì)集中在兩輪跳躍機(jī)器人.美國軍方研制的UrbanHopper由于采用了燃?xì)鈩?dòng)力,驅(qū)動(dòng)功率大,驅(qū)動(dòng)速度快,跳躍性能高,為減小落地時(shí)與地面的沖擊,車輪采用吸震橡膠,著地時(shí)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(shí)現(xiàn)應(yīng)用的跳躍機(jī)器人.滾式跳躍機(jī)器人又稱球形機(jī)器人,由于采用了球形表面,可實(shí)現(xiàn)自穩(wěn)定,不存在傾翻現(xiàn)象,但同時(shí)導(dǎo)致不能精確定位.球形跳躍機(jī)器人的實(shí)現(xiàn)主要采用3種策略:(1)彈簧式,見圖2(d),內(nèi)部彈簧實(shí)現(xiàn)不同程度的變形,彈簧釋放時(shí),在所有彈簧合力的作用下實(shí)現(xiàn)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(yùn)動(dòng),例如表5中的RATS;(3)內(nèi)部力,見圖2(f),在力的作用下,內(nèi)部質(zhì)量塊加速到一定的速度實(shí)現(xiàn)彈跳,例如Microgravityrover和Hopper.輪式跳躍和滾式跳躍機(jī)器人均采用了混合運(yùn)動(dòng)模式,提高了跳躍機(jī)器人的穩(wěn)定性、高效性,但兩種混合運(yùn)動(dòng)模式存在差異,表6對(duì)兩種混合運(yùn)動(dòng)模式的優(yōu)缺點(diǎn)及其應(yīng)用范疇進(jìn)行了比較.2.4彈響合金彈性變形跳躍機(jī)器人模仿生物腿部柔性彈射機(jī)構(gòu),通過變形儲(chǔ)能,釋放能量實(shí)現(xiàn)跳躍.隨著各種記憶合金和可變形彈性材料的出現(xiàn),該類機(jī)器人成為近幾年的研究熱點(diǎn).圖4(a)的弓形機(jī)器人利用彈簧片儲(chǔ)存能量,實(shí)現(xiàn)單腿跳躍;圖4(b)利用簧片設(shè)計(jì)一種六足可轉(zhuǎn)向跳躍機(jī)器人;圖4(c)是由特殊記憶合金制成、利用晝夜溫差儲(chǔ)能的星面探測(cè)跳躍機(jī)器人;圖4(d)、(e)是一種電壓驅(qū)動(dòng)記憶合金跳躍機(jī)器人;圖4(f)是利用簧片設(shè)計(jì)的一種單向力微型機(jī)器人.彈性變形跳躍機(jī)器人特征是:(1)依靠變形儲(chǔ)存彈性能量,落地時(shí)吸收能量,緩解沖擊;(2)落地時(shí)吸收緩沖能量,并進(jìn)行儲(chǔ)存,循環(huán)利用,能量利用率高;(3)由于所采用的材料不同,因此實(shí)現(xiàn)和控制方式一般不同.3跳躍機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)3.1柔性驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目前,跳躍機(jī)器人采用的動(dòng)力能源方式有多種,主要包括太陽能、電能、液壓、氣壓、燃?xì)鈩?dòng)力.從以上研究現(xiàn)狀可以看出,采用液壓燃?xì)怛?qū)動(dòng)方式的機(jī)器人整體質(zhì)量和體積較大,很難實(shí)現(xiàn)嵌入式結(jié)構(gòu),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(hù)功能,因此液壓燃?xì)怛?qū)動(dòng)是跳躍機(jī)器人動(dòng)力來源的主要選擇方式,也是未來負(fù)重跳躍機(jī)器人的必選驅(qū)動(dòng)方式,而未來的關(guān)鍵技術(shù)是設(shè)計(jì)合理的柔性驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)一種單腿負(fù)重跳躍機(jī)器人,見圖5,3個(gè)液壓缸分別驅(qū)動(dòng)3個(gè)關(guān)節(jié),與地面之間是平面腳接觸;但跳躍性能受到整體質(zhì)量大、液壓缸供油速度慢的限制,相關(guān)技術(shù)有待進(jìn)一步研究.面向于應(yīng)用的微小型跳躍機(jī)器人一般采用電能作為動(dòng)力來源,利用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng),但其能量和功率輸出有限,輕量化、微型化設(shè)計(jì)能有效地提高能量效率.隨著新能量、新材料技術(shù)的發(fā)展,新的能源與驅(qū)動(dòng)方式也不斷涌現(xiàn).麻省理工學(xué)院設(shè)計(jì)了一種質(zhì)子交換膜液氫燃料電池用于一種球形跳躍機(jī)器人,見圖6,由于氫燃料密度小,實(shí)現(xiàn)了微型化設(shè)計(jì),并計(jì)劃用于星面探測(cè)和救援搜尋.高密度太陽能供電、新型晝夜溫差能量儲(chǔ)存材料也被用于星際探索跳躍式機(jī)器人研究.本課題組在國家863項(xiàng)目的資助下,設(shè)計(jì)適合于星面探索的變桿長儲(chǔ)能仿生跳躍機(jī)器人,利用滾珠絲杠傳動(dòng)通過小功率驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)閉鏈機(jī)構(gòu)使彈簧拉伸,見圖7.為適應(yīng)星面探索環(huán)境的需求,左圖方案采用嵌入式太陽能板供電,同時(shí)提出一種變傳動(dòng)比跳躍模型并嘗試運(yùn)用于救援搜尋領(lǐng)域.從能量效率角度來看,跳躍機(jī)器人起跳瞬間需要提供很大爆發(fā)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(shí)際應(yīng)用角度,提高能量效率是跳躍機(jī)器人研究的關(guān)鍵技術(shù)之一.3.2仿生跳軌理論研究對(duì)于伸縮式和關(guān)節(jié)腿式等連續(xù)跳躍機(jī)器人而言,其本身是高自由度機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)低維空間運(yùn)動(dòng)的靜不穩(wěn)定系統(tǒng),較高的前向運(yùn)動(dòng)速度和較大的步幅提高了運(yùn)動(dòng)高效性和越障能力,同時(shí)也導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)過程中機(jī)器人重心垂地投影遠(yuǎn)離著地腳所在多邊形區(qū)域垂地投影,不能用靜態(tài)ZMP平衡條件進(jìn)行分析.調(diào)整飛行狀態(tài)的方法會(huì)導(dǎo)致角動(dòng)量發(fā)生變換,很難實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定平衡.跳躍機(jī)器人是一個(gè)多運(yùn)動(dòng)相(起跳相、飛行相、落地相)交替出現(xiàn)的非線性混合系統(tǒng),然而跳躍機(jī)器人并非以單一的連續(xù)周期性跳躍模式存在,當(dāng)出現(xiàn)間歇跳躍時(shí),傳統(tǒng)的周期性非線性龐加萊界面、零動(dòng)態(tài)以及極限環(huán)方法不再適用.動(dòng)態(tài)穩(wěn)定研究不僅是仿生跳躍理論方面有待解決的難點(diǎn),同時(shí)這些理論方法為面向?qū)嶋H應(yīng)用的跳躍機(jī)器人實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)跳躍、減少落地時(shí)傾翻提供理論支持和方法.3.3著地碰撞仿真模型對(duì)于著地碰撞過程,前期研究模型大多為彈簧質(zhì)量模型,而關(guān)節(jié)式跳躍機(jī)器人不能簡(jiǎn)單等效于彈簧壓縮.許多研究成果將著地碰撞假設(shè)為剛體碰撞接觸過程進(jìn)行分析,但這種分析是一種理想假設(shè),沒有考慮地面環(huán)境變化,實(shí)際接觸模型復(fù)雜.彈簧阻尼碰撞模型考慮到地面接觸環(huán)境的影響,同時(shí)能進(jìn)行能量耗散分析,但彈簧阻尼碰撞模型的參數(shù)難以確定.同時(shí)落地碰撞造成沖擊振動(dòng)導(dǎo)致穩(wěn)定性降低、機(jī)器人疲勞壽命降低以及能量高耗損,柔性機(jī)構(gòu)和柔性驅(qū)動(dòng)是進(jìn)行緩沖、提高能量效率的有效方法.變剛度機(jī)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)是跳躍機(jī)器人進(jìn)行緩沖的有效方法.本課題組對(duì)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)形狀腳面和不同柔性材料腳面的剛度變化,圖8利用實(shí)驗(yàn)的方法分析不同剛度變化趨勢(shì)對(duì)著地緩沖和穩(wěn)定性的影響,然而,具有生物肌肉肌腱特性的柔性機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)方式還需要進(jìn)一步研究.4跳不進(jìn)的機(jī)器人研究和發(fā)展方向跳躍機(jī)器人研究在基本的理論成果方面和實(shí)際應(yīng)用方面都取得一定進(jìn)展,但仍存在許多挑戰(zhàn)性的難題,除上述關(guān)鍵技術(shù)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(jù)上述研究分析,可預(yù)測(cè)未來跳躍機(jī)器人的研究和發(fā)展方向?qū)@以下幾個(gè)方面進(jìn)行:4.1在載荷作用上的應(yīng)用前景廣闊由于跳躍機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下具有越障優(yōu)勢(shì),未來對(duì)面向應(yīng)用的跳躍機(jī)器人的需求越來越大.隨著UrbanHopper機(jī)器人在美國軍方應(yīng)用,以及面向于救援、搜尋、巡視的跳躍機(jī)器人CastingHopper、ScoutRobot的應(yīng)用,可以看出未來微小型化跳躍機(jī)器人將有更大的應(yīng)用需求價(jià)值.盡管如此,能像人或者其它動(dòng)物一樣,負(fù)載一定的重量,并在惡劣非結(jié)構(gòu)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)跑跳是跳躍機(jī)器人研究的終極目標(biāo).未來跳躍機(jī)器人也將成為一種在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的交通或者運(yùn)輸工具.在這一方面,美國軍方的BigDog項(xiàng)目已經(jīng)開展研究.4.2