弹跳机器人

弹跳式机器人研究综述目前,移动机器人采用的两种主要运动方式是:多轮或履带式驱动,仿生爬行或步行。

但是这两类移动机器人共同的缺陷是:它们很难一次性跃过较大的障碍物或沟渠。

随着机器人应用范围的日益广泛,机器人面临的环境也越来越恶劣,诸如考古探测、星际探索、军事侦察以及反恐活动等。

在这样的环境中,要求机器人必须具有较强的地形适应和自主运动能力。

相对于采用以上两种运动方式的移动机器人,弹跳机器人可以轻而易举地跃过与自身尺寸大小相当的障碍物或沟渠,甚至可以跃过数倍于自身尺寸的障碍物,因此更适合复杂和不可预测的环境。

特别值得一提的是在星际探索中,由于月球与火星表面的重力加速度大大低于地球表面的重力加速度(分别为地球的38%和17%)。

弹跳机器人能充分利用这个特点, 来达到扩大运动范围和节省能量的目的。

尤其在探索过程中面对的往往是未知的地形,弹跳机器人相对于其它移动机器人具有更强的地形适应能力。

因此,弹跳机器人特别适合应用于以未知、崎岖地形,低重力环境为特征的星际探索中。

早在1969年美国就有人研制弹跳机器人以用于月球探索[1],根据当时/阿波罗0号飞船登月时的数据以及后期的试验与计算,列出在月球上3种方式的比较(1)。

可见弹跳运动在星际探索中是一种非常高效的运动方式。

CaliforniaInstituteofTechnology和JetPropulsionLabo-ratory在NationalAeronauticsandSpaceAdministration的资助下,对应用于星际探索的弹跳机器人进行了研究,这个项目并且得到了美国国家科学基金的资助。

该项目从1999年起,先后研究开发出了三代弹跳机器人,其中第三代弹跳机器人在远程计算机的控制下基本实现了自主运动。

随着我国载人航天器的发射成功,登陆其它行星必然是下一步目标,弹跳机器人在其中必然会发挥巨大的作用。

1 弹跳机器人的研究现状1.1 弹跳机器人的研究起源最早的弹跳机器人为MarcRaibert于1980年在麻省理工学院机器人实验室研制的单腿弹跳机器人。

其基本模型如图1(a)所示,机构有一个x方向的平移自由度以及足部和躯体之间的旋转自由度H,该机构可以在线形轨迹运动。

在参考文献[2]中有这方面的概述,在文献[3~6]中有相关的力学分析。

在文献[7]中对这个模型进行了改进,增加了铰接式的关节,从而使模型可以在三维空间运动。

这个模型的弹跳与落地过程经过运动学和动力学分析和计算后,只要按规律外加控制就可以保持连续平滑的弹跳运动。

另一个较早的弹跳机器人模型为AcrobaticRobot,也称为Acrobot,研究比较集中在对它的弹跳过程进行控制。

这个模型有点类似于倒转的双钟摆结构,如图1(b),机构具有唯一的旋转自由度H和唯一的动力源,位于机构的关节处。

机构的弹跳是通过加速它的质心来使它底部逐渐失去与地面的接触,在参考文献[8~12]中有对它的分析和控制策略。

Acrobot的构造类似于Raibert的早期单腿弹跳机构,唯一的旋转关节同时充当动力源和平衡臂的作用。

Acrobot的落地姿态控制是通过补偿H角来实现。

早期的弹跳机器人研究基本上都集中在对这两个模型进行运动、动力学分析和控制研究上。

且以后的弹跳机器人都是以这里推导出的公式为继续研究的基础。

但在实际中此模型存在很多问题,首先模型中的许多假想条件并不成立,另外模型是以自治的连续弹跳运动为分析对象,但Raibert在实验室中的弹跳机器人需要大量外围设备与器件作支撑,保证其稳定及供给能量,去掉这些辅助装置就不能集成到一起形成满足实际需要的自治弹跳机器人,因此实际机构的研制很少完全按照上述模型。

但这两个模型为以后的研究打下了重要的基础。

1.2 弹跳机器人的分类弹跳机器人因为出现的时间比较晚,现在还没有明确的分类标准。

本文按照弹跳机器人的运动形式不同对它进行了分类,并且简单介绍了已经面世的弹跳机器人。

弹跳机器人从运动形式上一般分为两类:一种作连续性的弹跳运动,即足部接触地面后在很短的时间内再次弹跳,机构的能量补充、姿态调整、起跳参数设置和着落点预测都是动态完成的。

上文提到的两个机构模型为典型的连续弹跳模型。

连续弹跳机器人的弹跳过程可以分为起跳跃、腾空飞行、落地再起跳3个阶段,其运动过程如图2所示, 其优点是第二次起跳能够部分利用前一次的下落势能,使得能量利用效率较高,而且不需要很长时间存储能量,只需在弹跳落地瞬间加以适当补充即可,因此弹跳频率较快,活动范围大。

一般来说,实验研究集中于此,比较关注的是弹跳过程中动力学平衡问题,以及机器人在连续弹跳过程中的控制问题。

弹跳机器人的研究起源于此,目的是建立具有连续跑动能力的机器人。

此类机构的运动过程一般采用poincare映射方法分析关键时刻的速度与弹跳高度,将连续非线性动态过程离散化,并且降低系统维数,目前已取得一些理论研究成果。

在实验室中已实现稳定跳跃、越障等功能,并可完成翻跟斗等动作。

连续弹跳机器人比较典型的例子还有TheRoboticsIn stituteOfCarnegieMellonUniversity的弓形足弹跳机器人[13,14](图3)。

图3(a)、图3(b)分别实现了两维和三维空间的连续弹跳、动态积聚能量,并且能对着落地行进行简单的预测。

图3(c)为其腿部运动原理,其弹跳基本原理为:电机通过滑轮装置拉紧绳索,使弓形弹性腿绷紧,然后通过触发装置瞬间释放绳索,弹性腿储蓄的能量可以带动整个机构弹起。

弓形足弹跳机器人在每个起跳后到落地前的周期里,完成能量积聚、对下一个落地位置进行预测等工作。

另外一类弹跳机器人作间隙性运动,即经过一次弹跳后,需要短暂的时间来进行位姿调整、能量存储和地形预测等,为再次弹跳作准备。

间歇性弹跳机器人的运动速度或频率没有连续性弹跳机器人快,其运动基本可分为起跳、飞行、落地(可能翻转)、调整、再次起跳4个阶段,比连续性弹跳多了一个地面调整过程。

这一过程主要是重新存储弹性势能,调整弹跳方位,进行地形预测,并且如果发生落地翻转,还要设法回复到预备弹跳的姿态。

间歇性弹跳不象连续性弹跳那样要在每时每刻都保持对机构姿态的绝对控制。

它可以分段控制,即控制机构积累能量并向预定方向释放后,在飞行过程中不再加以控制,当机构落地后再进行调整。

这种方式明显简化了控制过程,而且不影响弹跳机构的实际功能。

间歇性弹跳机器人避开了复杂的非线性和动态过程控制,其实现过程相对要简单得多。

在现阶段,对间隙性弹跳机器人的研究较多,已面世的具有实用价值的弹跳机器人大多为此类。

NASA的三代弹跳机器人均属于间隙性弹跳机器人[15~17](图4)。

第一代弹跳机器人,靠滚动和弹跳来实现运动,弹跳运动是由线形的弹簧装置实现的。

它的外层是透明的聚碳酸酯外壳,在机构落地时起保护作用,它的透明性可以让内部的图像采集装置收集地形信息。

在第三代弹跳机器人中实现了起跳角度和起跳方向的动态调整,还实现了计算机的实时控制和无线通讯。

控制装置包括:计算机上的控制软件,其功能是用来设置弹跳和移动运动的一些参数、处理数据和预测判断地形;一个双信道通讯装置,用来和弹跳机器人交换数据信息;一个视频装置,用来接受来自弹跳机构的图像采集设备采集到的图像信息。

该原型机实现了远程控制下在较为规则地形环境中自由运动且能够自动辩识和跃过遇到的障碍物。

其弹跳方向和起跳角度的调整有专门的机构来实现。

在腿部压缩状态时,通过收缩足部,依靠三个轮子实现机构的移动;在准备弹跳时,足部再伸出接触地面,尾部的轮子抬起;尾轮抬起的高度控制特定机构可以调整起跳角度,在该原型机里,起跳角度可以按照障碍物大小的不同从0到85b进行调整。

它的蓄能方式和第二代弹跳机器人相同,图5是它们的蓄能装置原理图。

机器人的腿部在y方向压缩和伸展,该装置把x方向弹簧的线形伸缩转化成y方向的非线形伸展和压缩, 方向弹簧的线形伸缩转化成y方向的非线形伸展和压缩, 器人采用的线形弹簧弹跳装置,能量利用率从20%提高到了70%。

另外,间隙性弹跳机器人的应用实例还有The Department of Energycs Sandia National Laboratories的利用碳化氢作燃料的弹跳活塞机构[18],能达到20英尺的弹跳高度。

1.3 目前弹跳机器人的主要构建方法总结目前的弹跳机器人研究,主要构建方法可分为3大类:一类是从自然界生物的弹跳动作中获得启发,仿造外型与功能类似的机构,同时实现行走与弹跳,如机械蟋蟀[19,20]与机械猫等[21],可归为仿生机构。

另一类方式就是直接利用简单机构产生弹力(例如离心力、弹簧弹力等),这种方法机构自由度少,动力学模型简单,实现起来相对容易。

第三类方法为采用一些特殊能源方式,比如气体爆炸产生的爆炸力来实现弹跳。

南航机械电子工程研究所采用第二类方法,研制了多个弹跳机器人模型,达到了一定实用目的。

图6是其中的一个单腿非连续弹跳机器人的蓄能装置,图7是蓄能装置的原理图和锁定装置原理图。

其基本工作原理为:蓄能装置顶部的电机作顺时针旋转,主弹簧开始压缩,弹跳腿部也逐渐进入机构体内,从而积蓄能量,直到锁定装置进入锁定位置;电机作逆时针旋转,机构触发锁定装置,使锁定装置突然打开,主弹簧推动腿部弹出,冲击地面,使机构产生弹跳运动。

弹跳机器人的弹跳运动是由弹簧的线形运动产生的,弹簧壳体同时防止了弹簧的侧向滑移。

锁定装置的工作原理为:当电机作顺时针旋转,主弹簧开始压缩,弹跳腿部逐渐进入机构体内。

图7(b)是锁定装置原理图,它的内槽是V型阶梯状,当弹跳腿部向上运行到一定位置时,锁定钢珠进入弹跳腿部的凹槽内部,锁定弹簧推动锁定装置向上运动;这时锁定装置的位置高度高于导轨的下端,钢珠的位置由V型槽的顶端下降到底端;主弹簧进入锁定位置。

电机作逆时针旋转时,电机带动螺杆,连同销向下运动,推动锁定装置向下运动;由于弹跳腿部受压缩的主弹簧的压力,使钢珠的位置由V型槽的底端运动到顶端;锁定装置实现锁定释放;主弹簧推动腿部弹出。

该单腿非连续弹跳机器人的完整装配图类似于NASA的第一代弹跳机器人,有透明的圆形外壳,在机构落地时起保护作用,同时兼有可以滚动的作用。

外壳透明性可以让内部的图像采集装置收集地形信息。

当图像采集装置在电机驱动下转动时将导致整个系统重心的偏移,从而系统产生倾斜,由此可以实现系统弹跳方向的调整。

系统电池装置、附属装置集中在系统的足部,这样可以使系统的重心较低,从而在系统弹跳落地后可以实现系统姿态的自动复原。

该原型机的其它附属装置这里不作介绍,如能量供给系统,图像采集与处理系统,智能控制系统。

该原型机的主要缺点为:效率较低;姿态和弹跳方向调整方式是一种非主动方式。

这些在以后的工作中会逐步的完善和克服。