基于速度可操作度的跳躍機構結構設計和優化

摘要：【目的】跳躍機器人在當今移動機器人技術領域因其獨特的優勢而得到廣泛研究，其結構設計對于提高機器人的跳躍性能具有重要意義，但目前跳躍機構存在結構復雜、穩定性和傳速性能較差的問題。【方法】因此，設計了一種單自由度閉鏈六桿跳躍機構，并引入速度可操作度作為衡量機構傳速性能的指標，利用粒子群優化算法對機構進行了優化。【結果】結果表明，優化后的機構跳躍速度相較優化前提高了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%，驗證了跳躍機構的合理性。

關鍵詞：跳躍機構；速度可操作度；多優化準則；優化目標

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領域受到廣泛研究，其往往能夠跨越數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境和越障任務時，展現了獨特的環境適應能力和良好的風險規避能力[1]。開展跳躍機器人研究，對于推動機器人技術的前沿研究和發展具有重要意義。

目前，跳躍機器人跳躍機構主要有基于彈簧負載倒立擺（Spring Load Inverted Pendulum， SLIP）模型的跳躍機構[2]、仿生開鏈跳躍機構和閉鏈多連桿跳躍機構[3]。其中，基于SLIP模型的跳躍機構和仿生開鏈跳躍機構均具有優異的解耦性和靈活性，但這兩類機構一般具有多個自由度，運動控制較為困難。相較之下，閉鏈多連桿機構通常具有更好的穩定性和剛性，能夠提供更精確和更可控的運動，使其在跳躍機構的應用方面具備顯著優勢。常用的閉鏈多連桿跳躍機構主要有電動機驅動、線性彈簧或扭簧驅動、氣動或液壓驅動等[4]。柏龍等[5]設計了一款電動機驅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動跳躍機器人，通過電動機控制彈簧的蓄能與釋放，實現機構的跳躍功能。莊昌瑞[7]設計了一款仿家貓跳躍機器人，將跳躍機構設計為鉸鏈四桿機構，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，實現機構的跳躍。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的穩定性和控制性能，從而增大了機器人系統設計和實施的難度。

跳躍機器人在運動過程中，尤其是在執行跳躍瞬間需要較大的爆發速度。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，近期的研究開始關注結構優化的可行性。通過對跳躍機構的結構進行設計和優化，改善機構輸入和輸出之間的關系，提高機構運動的傳速性能，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，利用凸輪帶動齒輪對機構中滑塊進行驅動。凸輪驅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定性。同時，引入速度可操作度這一指標，對跳躍機構的傳速性能進行評價和優化，旨在為跳躍機構的跳躍性能提升提供一種新的研究思路。