弹跳机器人研究现状综述

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1980年在麻省理工学院由Marc Raibert带头所研制的单腿连续型跳跃机器人是世界上最早的跳跃机器人。其模型如图1.1所示。机器人可以在一个平面自由跳跃，它有一个旋转自由度和一个平移自由度。该机器人腿上装有一个气缸，相当于弹簧，所以其运动机构在地面上相当于弹簧倒立摆模型。这一机构的灵巧性令人备受鼓舞，增加了人们对跳跃机器人研究得到兴趣。48025

该控制装置由三个独立的部分组成，在控制高度、向前运动速度和姿势的调节方面起着作用。并且三者之间的动力学耦合被当成扰动。很多学者也对类似机构进行了数学分析和仿真。目前该模型主要出于研究阶段，因为其许多假想条件并不成立，想要实际应用，需要配备大量的外围设备和器件，否则，就无法保障充足的能量供给和稳定运行。虽然实际应用并不理想，但后来出现的各种单腿式机器人，它们大多是采用类似结构的。目前实验室对该模型的研究主要集中于如何对这种非约束系统进行平衡控制。文献[7]中采用了增加铰链式的关节，对这种模型进行了改进，从而使其可以在三维空间运动。只要给予适当的条件，它就可以平滑稳定地跳跃。

早期比较经典的跳跃机器人模型还有Acrobot模型[8-9]，它的结构与Raibert机器人具有很大的类似性，这种机器人的研究主要集中在控制它的弹跳过程。如图1.2，此模型的结构与倒转的双钟摆比较类似。该机器人只有一个位于关节处的旋转自由度，这一关节也是为其提供唯一跳跃动力的动力源，同时起到平衡身体的作用。机构的跳跃是通过加速质心，使其离开地面接触。其落地姿态的控制通过控制θ角的补偿来实现。

前面叙述的这两种模型在实际应用中都存在很大的缺陷，因此后来机构的研究很少完全按照这两种模型来，不过虽然其参考价值有限，但作为跳跃机器人领域的先驱，为以后的研究奠定了重要的理论基础

Raibert单腿跳跃模型 Acrobot跳跃模型

凯斯西储大学研究人员研究并设计的由人工筋进行驱动机械蟋蟀[10]，如图1.3所示。蟋蟀的腿主要由人工筋组成，这种人工筋的弹性性能比较强，是较为理想的材料，主要由高分子管状纤维编织而成。其工作原理主要为：当机器人跳跃的时候，空气压缩机会通过压缩空气给纤维内部充入一定量的气体，腿部微型阀门和空气压缩机在微控制器的控制作用下，使机器人位于腿部的人工筋进行拉紧或者收缩论文网，从而驱动机械蟋蟀的行走和弹跳动作。目前研制的机械蟋蟀大约有70cm长，研究人员主要研究方向是尽可能的降低机器人的体积和重量。

由美国国家宇航局（NASA）和加州理工学院联合研制的蛙形弹跳机，借鉴了青蛙外形的生理结构，如图1.4所示。在开始研究的时候，主要地为了扩大在星际探索中的漫游车在复杂地形中的运动范围。该机构总重量1.3kg，一条腿，并且装有弹弓，一次跳跃可达1.8m之远。该机器人机身载有由太阳能电池供电的驱动电机，由直流电机提供跳跃的动力，通过控制电机达到不同的运动状态。并且自带嵌入式控制系统，配有微型摄像机及各种用于采集外界信息的传感器。并且这种蛙形弹跳机把身体的组件尽量放在低位置，以使机构降低，保持其重心稳定。同时它可以自行前进及修正路线，适合执行行星、彗星及小行星的探索任务[11]。这一成果被刊登于美国当年的《发现》杂志上[12]。

仿生蟋蟀蛙形弹跳机

明尼苏达大学研制出了一种可以跳上楼梯的微小型机器人，被称为“跳蚤”机器人。如图1.5所示。这类机器人的外部形状是一个直径为40mm的圆柱体，长115mm，重量大约有200g。这类机器人在不同地形环境能进行不同的运动。其跳跃机构为把一个能爆发式释放弹性势能的弹簧安装在腿内，在腿受到地面冲击式，地面冲击反力可使其跳起来，这种情况和人单腿跳跃时的情况较为类似。当地形较为平坦时，其通过两只轮子的运动前进；在遇到楼梯时，它可通过释放弹性腿的势能来实现跳跃运动，可以跳35cm之高。因此这种机器人可以攀登楼梯，也可以越过较小的障碍物。机身内部装有可以拍摄到周围景物的摄像机，有一些还配有振动器和麦克风。