弹跳机器人研究现状综述(2)

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跳蚤机器人

卡耐基内隆大学和瑞典联邦技术学院联合研制的弓形单足跳跃机构都属于机械式、连续性跳跃机构，如图1.6所示。机构的储能过程都是通过弹性杆来完成的。其工作原理为：当弹跳机在空中飞行时，滑轮上的绳索由于电机的转动而收紧，弹性杆由于被拉弯而储存了一定的能量；当机构落地冲击时，绳索由于弹性杆的变弯而松弛，从而挂钩由于预紧发条的作用而抬起，使得绳索能够脱离推动轮的作用平面。弹性杆在这种情况下自由释放，弹性杆储存的能量可以带动整个机构弹起，在能量释放完之后，绳索重新绷紧于中间位置，在电机的带动下，重复上述动作。这种机构最大的特点就是巧妙的利用与地面的碰撞瞬间作为触发开关，并且把能量循环利用，提高了能量的利用率。不过其缺点也是显而易见的，由于它是在空中飞行的过程中进行能量储存，因此其储能时间很短，且不能把能量进行循环积累，弹跳高度也有限。

后来Brown.H.B也在原有研究的基础上，在2002年研制出一种弓形弹跳机器人，如图1.7所示[13]。此机器人一个重要的改进是将原来髋关节处的柱面关节换成球面关节，增加了机器人的灵活性。

弓形弹跳机构图弓形单腿弹跳机器人

近年来，日本在跳跃机器人领域得到很快的发展。日本东北大学和东京大学的相关科研人员在对美国于1991年试制的仿动物单腿机器人模型Uniroo做了大量分析研究的基础上，于2003年共同研究并设计了一种模仿狗的腿部运动的跳跃机器人Kenken。如图1.8所示，这种机器人能够准确的实现类似于狗的真实奔跑。Kenken主要模仿的是狗腿腱部的工作原理，从而使机器人在与地面接触阶段完成能量积蓄，在跳跃触地是完成能量吸收。该机器人的腿部由三连杆机构组成，各杆件之间的连接是通过旋转关节来完成的。生物体肌肉由液压驱动器来模拟，腱的功能由线性弹簧来模拟，同时脚步关节还有扭簧。这种机构的设计使其在落地时能吸收更多的冲击，同时积蓄了更多的能量。它除了能完成连续的跳跃，还能在裸露的岩石上轻轻快速地移动。然而，这种机器人的缺点也是显而易见的，首先，液压驱动装置使机器人的总质量过大；其次，为了减轻整体质量的负载和保持整体稳定性，机器人多了一份悬挂装置。并且，为了使机器人稳定跳跃，科研人员以动力学分析为基础，引用了很多实践经验方法来实现本体控制，不过仍需悬吊的绳索实现平衡的控制。

跳跃机器人Kenken

瑞典洛桑联邦理工学院的智能系统实验室研制出的一种重7g高度大约为3cm的沙漠蚱蜢机器人，如图1.9所示，它的形状和大小都与蚱蜢较为相似。机器人的腿部结构用四连杆机构来进行等效来模拟弹跳，把弹簧作为蓄能装置，能够产生有力的弹跳，并且能对跳跃力、起跳角度、加速度和力矩等参数进行调整[14]。因为它能跳过高度为1.4m的障碍物，这是其本身大小的27倍，所以其跳跃能力远高于其他跳跃机器人，这吸引了很多研究者的关注。

沙漠蚱蜢机器人

与国外相比，我国对弹跳机器人的研究起步比较晚。虽然经过国内许多专家学者的不懈努力，取得了一系列的成果。但整体情况仍处于研究的早期阶段，许多相关理论仍然不太成熟，还是以基础的动力学和运动学分析为主。主要成果有，2001年，时任杨煜普教授、耿涛等提出了一种可以实现翻转动作的单腿跳跃模型[13]，这是我国在这方面有关研究的代表作；厦门大学通过对青蛙跳跃性质的研究，模仿其主要运动特性，设计出了一种仿青蛙跳跃机器人[15]；南京航空航天大学的刘壮志于2004年提出了不同种类的弹跳机器人结构设计方案，并通过一定的理论分析制作了六杆弹跳机构等典型机构；西北工业大学的葛文杰团队对袋鼠的跳跃机理进行了深入分析和研究，并根据这些成果先后设计出了三种仿袋鼠跳跃机器人[16]；除了对袋鼠和青蛙的研究，哈尔滨工业大学郁万春和余杭杞等人也对蝗虫进行了一定的研究，并设计出了仿蝗虫腿部跳跃机器人[17]。这些研究成果为我们以后对弹跳机器人的研究提供了重要的理论基础，具有重要的参考价值。