對跳躍機(jī)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(jī)器人研發(fā)較早，但是在地面狀況復(fù)雜情況下無法滿足需求，跳躍機(jī)器人的優(yōu)勢顯而易見，其在前進(jìn)過程中能夠?qū)崟r跳躍前進(jìn)，能夠提高復(fù)雜地形通過能力，擴(kuò)大活動半徑和規(guī)避危險，運(yùn)用領(lǐng)域更加廣泛。

1 國內(nèi)外跳躍機(jī)器人研發(fā)情況

跳躍機(jī)器人研究工作是機(jī)器人研究領(lǐng)域的一次質(zhì)的飛躍，由于其運(yùn)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(jī)構(gòu)已經(jīng)取得了階段性成果。

按照跳躍方式劃分，跳躍機(jī)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(jī)器人在首次跳躍著地之后的很快時間里，要進(jìn)行下一次的跳躍，在這樣的跳躍過程中，需要對機(jī)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(shù)非常復(fù)雜。間歇式跳躍機(jī)器人的控制技術(shù)則要相對簡單一些，因為其跳躍過程中的能量補(bǔ)充、姿勢糾正以及路線制定等項目，均是在地面靜止?fàn)顟B(tài)中開展，這種機(jī)器人研發(fā)更加趨于實用和利于推廣。跳躍機(jī)器人結(jié)構(gòu)主要有伸縮筒型和關(guān)節(jié)型跳躍兩種主要類型。

2 跳躍機(jī)器人研究路徑

跳躍機(jī)器人研究屬于較為尖端的領(lǐng)域，其研究工作涵蓋和涉及到多個學(xué)科研究領(lǐng)域，如仿生學(xué)、控制學(xué)以及機(jī)械學(xué)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(jī)器人研究工作取得了長足的進(jìn)展，為跳躍機(jī)器人的研究推廣奠定了堅實的基礎(chǔ)。

2.1 跳躍機(jī)器人驅(qū)動形式

目前，在跳躍機(jī)器人驅(qū)動形式方面，主要有兩種形式，一種為彈力機(jī)構(gòu)驅(qū)動，另一種為內(nèi)能以及化學(xué)能驅(qū)動。相對來講，彈力機(jī)構(gòu)驅(qū)動屬于復(fù)雜性稍低的驅(qū)動方式，主要借助于機(jī)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(gòu)件來實現(xiàn)，這樣的構(gòu)建方式主要運(yùn)用于較為簡單的跳躍機(jī)器人，瑞士科學(xué)家研制出來的蚱蜢跳躍機(jī)器人就屬于這樣的類型。內(nèi)能與化學(xué)能驅(qū)動，主要借助于液壓、氣動產(chǎn)生的內(nèi)能或者化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的化學(xué)能實施的跳躍機(jī)構(gòu)，顯著特點就是體積小但驅(qū)動力強(qiáng)勁等，運(yùn)用此類驅(qū)動能夠減輕跳躍機(jī)器人自身體積重量的同時，提高彈跳能力和擴(kuò)大活動半徑。

2.2 動力學(xué)模型建立與分析

在跳躍機(jī)器人研究領(lǐng)域，動力學(xué)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(jī)器人研究領(lǐng)域，較為先進(jìn)的機(jī)器人動力學(xué)模型有兩種，分別是仿生關(guān)節(jié)型模型以及倒立擺SLIP模型。跳躍機(jī)器人動力學(xué)模型分析涉及到的數(shù)學(xué)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(jī)器人控制研究

在跳躍機(jī)器人研究中，控制系統(tǒng)較為核心，主要目標(biāo)是結(jié)合自己在運(yùn)動中綜合獲取的各種信息來調(diào)整和維系運(yùn)動，順利完成整個跳躍前進(jìn)目標(biāo)，其控制系統(tǒng)主要為三個層次，首先就是任務(wù)的控制，要能夠?qū)χ車h(huán)境進(jìn)行信息搜集，對自身位置進(jìn)行運(yùn)算，綜合形成任務(wù)以及路徑謀劃，還要在跳躍前進(jìn)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(yīng)的目標(biāo)。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(jìn)行操作，實現(xiàn)預(yù)定的角度和高度進(jìn)行跳躍的目標(biāo)控制。另外是穩(wěn)定控制，跳躍機(jī)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(guān)角度，在落地之后對姿勢進(jìn)行調(diào)整控制，不出現(xiàn)翻倒。

3 核心技術(shù)研究與未來發(fā)展趨勢

在跳躍機(jī)器人研究工作中，有幾項核心技術(shù)需要進(jìn)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(jī)械結(jié)構(gòu)，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(qiáng)減震緩沖效應(yīng)。其次，要進(jìn)一步提高驅(qū)動方式的高效性。在當(dāng)前研究與運(yùn)用中，跳躍機(jī)器人驅(qū)動方式更多的是采用彈性機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)驅(qū)動能量運(yùn)用有限，難以進(jìn)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(shè)備要求高，對于擴(kuò)大跳躍機(jī)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(yīng)當(dāng)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(gòu)，還與其智能控制關(guān)系密切，要進(jìn)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(jī)器人實現(xiàn)智能化控制，提高機(jī)器人跳躍質(zhì)量。

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

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

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