对跳跃机器人研发的分析
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作者: 朱梓清
腿式与轮式机器人研发较早，但是在地面状况复杂情况下无法满足需求，跳跃机器人的优势显而易见，其在前进过程中能够实时跳跃前进，能够提高复杂地形通过能力，扩大活动半径和规避危险，运用领域更加广泛。
1 国内外跳跃机器人研发情况
跳跃机器人研究工作是机器人研究领域的一次质的飞跃，由于其运用前景极其广阔，世界上许多国家都将其研究工作作为重要的方面，诸多尖端科研机构已经取得了阶段性成果。
按照跳跃方式划分，跳跃机器人具有连续式跳跃和间歇式跳跃两种类型，连续式跳跃机器人在首次跳跃着地之后的很快时间里，要进行下一次的跳跃，在这样的跳跃过程中，需要对机器人的姿势以及平衡状态实行动态和实时、全程控制，技术非常复杂。间歇式跳跃机器人的控制技术则要相对简单一些，因为其跳跃过程中的能量补充、姿势纠正以及路线制定等项目，均是在地面静止状态中开展，这种机器人研发更加趋于实用和利于推广。跳跃机器人结构主要有伸缩筒型和关节型跳跃两种主要类型。
2 跳跃机器人研究路径
跳跃机器人研究属于较为尖端的领域，其研究工作涵盖和涉及到多个学科研究领域，如仿生学、控制学以及机械学等，综合研发难度非常明显。经过多年的探究与摸索，目前，跳跃机器人研究工作取得了长足的进展，为跳跃机器人的研究推广奠定了坚实的基础。
2.1 跳跃机器人驱动形式
目前，在跳跃机器人驱动形式方面，主要有两种形式，一种为弹力机构驱动，另一种为内能以及化学能驱动。相对来讲，弹力机构驱动属于复杂性稍低的驱动方式，主要借助于机械装置迸发的弹力完成跳跃，主要借助于弹簧和弹性杆这些构件来实现，这样的构建方式主要运用于较为简单的跳跃机器人，瑞士科学家研制出来的蚱蜢跳跃机器人就属于这样的类型。内能与化学能驱动，主要借助于液压、气动产生的内能或者化学反应产生的化学能实施的跳跃机构，显著特点就是体积小但驱动力强劲等，运用此类驱动能够减轻跳跃机器人自身体积重量的同时，提高弹跳能力和扩大活动半径。
2.2 动力学模型建立与分析
在跳跃机器人研究领域，动力学模型研究具有重要地位，涉及到控制、动态特性以及动力优化等诸多方面，在国内外跳跃机器人研究领域，较为先进的机器人动力学模型有两种，分别是仿生关节型模型以及倒立摆SLIP模型。跳跃机器人动力学模型分析涉及到的数学研究方法则较为宽泛，有拉格朗日方程法、凯恩方程法以及高斯最小拘束原理法和牛顿-欧拉方程法等。
2.3 跳跃机器人控制研究
在跳跃机器人研究中，控制系统较为核心，主要目标是结合自己在运动中综合获取的各种信息来调整和维系运动，顺利完成整个跳跃前进目标，其控制系统主要为三个层次，首先就是任务的控制，要能够对周围环境进行信息搜集，对自身位置进行运算，综合形成任务以及路径谋划，还要在跳跃前进中对规划开展调整和修改，以实现和环境变化相适应的目标。其次是跳跃控制，借助于上一层面获得的信息，对起跳参数开展规划，对姿势确定、能量储备与释放等动作进行操作，实现预定的角度和高度进行跳跃的目标控制。另外是稳定控制，跳跃机器人在离地飞行状态中实现平衡控制，以及调整控制好落地前相关角度，在落地之后对姿势进行调整控制，不出现翻倒。
3 核心技术研究与未来发展趋势
在跳跃机器人研究工作中，有几项核心技术需要进一步研究，首先就是要提高能量储存和释放的有效性，要不断探究新型材料或者新型机械结构，实现与动物腱、韧带以及肌肉相类似的功能作用，同时增强减震缓冲效应。其次，要进一步提高驱动方式的高效性。在当前研究与运用中，跳跃机器人驱动方式更多的是采用弹性机构以及液压、气动方式驱动，具有一定的局限性，具体表现为弹性机构驱动能量运用有限，难以进行高精度控制，液压和气动驱动虽然功率密度高，但是对外部辅助设备要求高，对于扩大跳跃机器人活动范围产生了制约。要实现驱动方式的高效，应当积极尝试其他驱动方式的探索，减小驱动装置体积和提高功率密度。另外，要提高控制的智能化水平。动物在跳跃活动中能够实现平衡和平稳，不仅得益于其自身的结构，还与其智能控制关系密切，要进一步研究基于生物激励的控制方法，从中枢模式发生器发出相位互锁的周期信号对机器人实现智能化控制，提高机器人跳跃质量。
跳跃机器人的研究还要有很长的历程，目前国际上对多足关节型跳跃机器人研究取得了突破性进展，其构建与智能控制等方面研究走在了前列，比如美国科学家研制成功的目前处于世界先进水平的bigdog跳跃机器人，移动、越障和跳跃能力超强，是一款具有野外全地形适应能力的跳跃机器人。
综上所述，跳跃机器人在未来的经济与社会发展、科技与国防领域等方面，将会产生更加重要的作用，运用前景广阔，其研发工作具有重要意义。
参考文献
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