朱梓清

常州科教城，江蘇常州 213001

腿式與輪式機器人研發(fā)較早，但是在地面狀況復雜情況下無法滿足需求，跳躍機器人的優(yōu)勢顯而易見，其在前進過程中能夠實時跳躍前進，能夠提高復雜地形通過能力，擴大活動半徑和規(guī)避危險，運用領域更加廣泛。

1 國內外跳躍機器人研發(fā)情況

跳躍機器人研究工作是機器人研究領域的一次質的飛躍，由于其運用前景極其廣闊，世界上許多國家都將其研究工作作為重要的方面，諸多尖端科研機構已經取得了階段性成果。

按照跳躍方式劃分，跳躍機器人具有連續(xù)式跳躍和間歇式跳躍兩種類型，連續(xù)式跳躍機器人在首次跳躍著地之后的很快時間里，要進行下一次的跳躍，在這樣的跳躍過程中，需要對機器人的姿勢以及平衡狀態(tài)實行動態(tài)和實時、全程控制，技術非常復雜。間歇式跳躍機器人的控制技術則要相對簡單一些，因為其跳躍過程中的能量補充、姿勢糾正以及路線制定等項目，均是在地面靜止狀態(tài)中開展，這種機器人研發(fā)更加趨于實用和利于推廣。跳躍機器人結構主要有伸縮筒型和關節(jié)型跳躍兩種主要類型。

2 跳躍機器人研究路徑

跳躍機器人研究屬于較為尖端的領域，其研究工作涵蓋和涉及到多個學科研究領域，如仿生學、控制學以及機械學等，綜合研發(fā)難度非常明顯。經過多年的探究與摸索，目前，跳躍機器人研究工作取得了長足的進展，為跳躍機器人的研究推廣奠定了堅實的基礎。

2.1 跳躍機器人驅動形式

目前，在跳躍機器人驅動形式方面，主要有兩種形式，一種為彈力機構驅動，另一種為內能以及化學能驅動。相對來講，彈力機構驅動屬于復雜性稍低的驅動方式，主要借助于機械裝置迸發(fā)的彈力完成跳躍，主要借助于彈簧和彈性桿這些構件來實現，這樣的構建方式主要運用于較為簡單的跳躍機器人，瑞士科學家研制出來的蚱蜢跳躍機器人就屬于這樣的類型。內能與化學能驅動，主要借助于液壓、氣動產生的內能或者化學反應產生的化學能實施的跳躍機構，顯著特點就是體積小但驅動力強勁等，運用此類驅動能夠減輕跳躍機器人自身體積重量的同時，提高彈跳能力和擴大活動半徑。

2.2 動力學模型建立與分析

在跳躍機器人研究領域，動力學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，在國內外跳躍機器人研究領域，較為先進的機器人動力學模型有兩種，分別是仿生關節(jié)型模型以及倒立擺SLIP模型。跳躍機器人動力學模型分析涉及到的數學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 跳躍機器人控制研究

在跳躍機器人研究中，控制系統(tǒng)較為核心，主要目標是結合自己在運動中綜合獲取的各種信息來調整和維系運動，順利完成整個跳躍前進目標，其控制系統(tǒng)主要為三個層次，首先就是任務的控制，要能夠對周圍環(huán)境進行信息搜集，對自身位置進行運算，綜合形成任務以及路徑謀劃，還要在跳躍前進中對規(guī)劃開展調整和修改，以實現和環(huán)境變化相適應的目標。其次是跳躍控制，借助于上一層面獲得的信息，對起跳參數開展規(guī)劃，對姿勢確定、能量儲備與釋放等動作進行操作，實現預定的角度和高度進行跳躍的目標控制。另外是穩(wěn)定控制，跳躍機器人在離地飛行狀態(tài)中實現平衡控制，以及調整控制好落地前相關角度，在落地之后對姿勢進行調整控制，不出現翻倒。

3 核心技術研究與未來發(fā)展趨勢

在跳躍機器人研究工作中，有幾項核心技術需要進一步研究，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械結構，實現與動物腱、韌帶以及肌肉相類似的功能作用，同時增強減震緩沖效應。其次，要進一步提高驅動方式的高效性。在當前研究與運用中，跳躍機器人驅動方式更多的是采用彈性機構以及液壓、氣動方式驅動，具有一定的局限性，具體表現為彈性機構驅動能量運用有限，難以進行高精度控制，液壓和氣動驅動雖然功率密度高，但是對外部輔助設備要求高，對于擴大跳躍機器人活動范圍產生了制約。要實現驅動方式的高效，應當積極嘗試其他驅動方式的探索，減小驅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實現平衡和平穩(wěn)，不僅得益于其自身的結構，還與其智能控制關系密切，要進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器人實現智能化控制，提高機器人跳躍質量。

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

綜上所述，跳躍機器人在未來的經濟與社會發(fā)展、科技與國防領域等方面，將會產生更加重要的作用，運用前景廣闊，其研發(fā)工作具有重要意義。

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