生物的跳跃形态与仿生跳跃机器人

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- 1 -生物的跳跃形态与仿生跳跃机器人∗

陈勇，陈东辉，佟金，陈秉聪

吉林大学 地面机械仿生技术教育部重点实验室，长春 130025

E-mail：chenyongjilin@126.com

摘 要：生物运动仿生是仿生机械中一个重要研究方向。生物跳跃的多样性为仿生跳跃机器

人的研究与设计提供了丰富的仿生源泉。本文阐述了几种生物的跳跃特征，对不同跳跃方式

在机器人设计中的应用进行了论述。生物跳跃过程的研究、步态的选择和运动的协调控制等

可以为跳跃机器人从结构学的研究到仿生功能的实现奠定理论基础，有利于创造出适合更多

复杂环境的、对人类更有价值的机器人。

关键词：机器人；生物运动；跳跃形态；仿生学

0 引言

近二十年来，仿生机器人的研究一直是机器人领域一个非常活跃的方向。人们在仔细研

究了各种生物系统的结构、运动方式和控制方式之后，精巧地设计出了各种仿生机器人[1]。

目前，动物运动方式的仿生研究较成熟的主要是步行和爬行方式，如双足行走式机器人、蛇

形机器人、机器狗、机械蜘蛛等。步行或爬行机器人自由度多，控制复杂，运动缓慢，而且

只能在相对平坦的地势上工作，一旦遇到地势凹凸不平，其运动将受到很大限制。机器人在

实际应用时，很多时候要求其具备弹跳装置以便跃过障碍物或沟渠，因此迫切需要研制具有

跳跃能力的机器人。

跳跃式运动的机器人有很多优点：（1）可以越过数倍于自身尺寸的障碍物；（2）跳跃

运动的突然性与爆发性有助于机器人躲避危险；（3）与爬行和步行运动方式结合，可以大

大提高机器人的活动范围。另外，在星际探索中，由于月球和火星表面重力加速度大大低于

地球，跳跃运动能充分利用这个优势，节省运动能量和扩展活动空间。

自然界中，不同种类的生物具有各自的跳跃特点，对不同场合使用的跳跃机器人的结构

设计和步态研究具有重要的仿生学启示，将使机器人具有更高的智能化水平、更高的集成度、

更优良的自主控制功能，是机器人发展的一个新阶段。

1几种跳跃生物的运动特点

地球上，现有种类繁多的生物都经过了漫长的进化过程生存下来，经历了无数次的生存

选择，不同的生存方式与生活环境使得每种生物在外部形态和内在机能上都有其自身独特的

优势，它们不仅具备超乎寻常的对自然环境的适应能力，而且更拥有功能完备的动作机理和

运动器官。各种生物运动方式和外部形态为机器人的研究提供了一个具有丰富资源的仿生源

泉。 ∗ 吉林大学研究生创新基金资助项目

陈 勇 吉林大学地面机械仿生技术教育部重点实验室 博士生

陈东辉 吉林大学地面机械仿生技术教育部重点实验室 副教授 硕士生导师

佟 金 吉林大学地面机械仿生技术教育部重点实验室 长江学者特聘教授 博士生导师

陈秉聪 吉林大学地面机械仿生技术教育部重点实验室 中国工程院院士 博士生导师

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- 2 -1.1 动物跑跳时的运动形态

由于身体条件和神经控制的差异，动物跑跳步态呈现不同的形式，相对于其它运动形式

而言，在疾跑时动物的运动能量效率是最高的，能够产生最高的运动速度。从图1[2]和图2[2]

中可以看出：在疾跑过程中，马的运动步态中只有一个四足腾空相位，脊背形体变化较小；

印度豹有两个四足腾空相位，而且显示出较强的躯体柔韧性。

能进行跳跃活动的动物还有很多。蟾蜍(Bufo marinus)的后腿较长，平时褶皱在身后，

跳跃时突然伸直，使身体离开地面，如图3所示[3]。袋鼠相对于其它跑跳四足动物而言，奔

跑速度高、耗能少且运动平稳。当袋鼠的运动速度达到6～7 km/h 时，运动模式为双足跳跃，

如图4所示[4]。袋鼠能连续跳跃，这与后腿的特殊构造有关：后肢中有踝骨伸肌以及与其相

连的腱筋，而且很长，直通脚跟，通过肌肉与趾相连。由于腱筋的弹性，袋鼠跳跃时可节省

能量。

1.2 昆虫的跳跃形态

跳跃不仅是昆虫行走的一种有效方式，而且是逃离危险的快捷途径。

蝗虫后足特别发达，善于跳跃，当后足的腿节和胫节由褶皱状态突然伸直时，

就产生跳

跃的动作。在腿节中生有很多斜排的肌肉用来控制胫节的活动，肌肉一端附在腿节的外骨皮

上，另一端附着在腿节中一种腱筋的结构上。当腿节内的肌肉收缩时便拉动这条腱筋，使胫

节伸直，这时产生相当大的力量形成跳跃。1.5g重的蝗虫（Schistocerca gregaria）用9～11mJ

的能量在30ms内能使其自身加速到3.2m/s [5]。

蟋蟀体形粗壮，体长为

15

～

40mm

，

头呈圆形，

具有光泽，

触角呈丝状，

往往超过体长。

图

1

马的疾跑形态

图

2

印度豹疾跑时的躯体形态

图

3

蟾蜍跳跃过程

图

4

袋鼠跳跃形态

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- 3 -后足长而细，能够迅速进行跳跃活动。跳跃开始时，中腿和前腿伸展腿胫关节，躯体逐渐提

升，使得中腿和前腿先离开地面，当后腿的胫关节完全伸展开时，后腿离开地面，同时触角

向后摆到身体的上方，如图5所示[6]。0.6g重的蟋蟀（Pholidoptera griseoaptera）以初速度

2.1m/s跳跃时，水平距离可以达到300mm，同时取得1.35mJ的动能[6]。

竹节虫，形似细长竹节或宽扁叶片状，体长为30～300mm，最大可达510mm，是现有

昆虫体长最长的种类。前胸较短，中、后胸较长。足细长或宽扁，易折断，前足静止时前伸。

0.9g重的竹节虫（Sipyloidea）以初速度0.8m/s起跳时，在跳跃中所获得的腹部角加速度最

大可达到4000°/s，跳跃过程如图6所示[7]。

2生物跳跃特征在机器人设计中的应用

生物运动仿生是仿生机械中一个重要研究方向。仿生运动机械研究中，利用常见的机械

结构产生类似生物的运动效果，而不拘泥于模仿生物器官的运动形式。虽然，这样的机械机

构与适应肌肉的生物器官具有不同的构成和运动形式，但是它们产生的动力学效果是相似

的，所以能够成为生物运动仿生实用化的基础机构，从而进一步开展研究，推进生物运动仿

生的实用化进程

[8]

。仿生研究的目的不仅仅是了解生物体的机能，更重要的是利用生物体卓

越的功能来解决各种工程问题。

机器人是仿生学、现代制造技术、现代信息技术、机构学、电子学、力学、逻辑学、计

算机技术、控制以及人工智能等多学科技术综合应用的成果，随着机器人技术的迅速发展，

其应用领域也在不断扩大。

为了使机器人在特殊环境下完成预期的功能要求，

研究者提取了

蕴藏于生物体中、

通过生物进化沉积下来的优秀的运动学、

组织学、

形态学及其综合作用效

能的特性，在运动机理方面对跳跃机器人进行了大量的研究

[9]

，创造了形形色色的仿生跳跃

机器人

[10]

，是生物科学研究与工程科学实践有机结合的产物，使机器人的应用领域得到了

极大的拓展。

跳跃机器人的研究和设计主要在于解决机器人起跳的迅速、空中的姿态和落地的稳定。

起跳时，瞬间给地面很大的冲击力，从而获得一定的加速度；落地时，空中姿态展得比较开

就是为了增大下降时的阻力，

从而减小落地的速度，

消除对地面的部分冲量，

保证自身的平

图

5

蟋蟀跳跃过程

图

6

竹节虫跳跃形态

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- 4 -

图7 弓形单足跳跃机构简图 图8 仿袋鼠跳跃机器人机构简图

图9 四足跳跃机器人机构简图 衡而不至于翻倒。

2.1 单足弹跳机器人

Garth Zeglin[11]等人研制了一种单足跳跃机

构，如图7所示。通过电机与滑轮装置拉紧绳

索，使弹性杆收缩，跳跃时通过触发装置瞬间

释放绳索，弹性杆弹开质量块推动机构跃起。

该跳跃机构重2.5kg，腿长250mm，采用单向玻

璃纤维合成物作弓腿，跳跃时能量损失只有

20～30%，最高奔跑速度略高于1m/ s。

2.2 双足跳跃机器人

马利娥[12]等人对仿袋鼠跳跃机器人（如图

8所示）进行了正运动学分析，分析讨论了袋

鼠跳跃的运动特性，推导出了正运动学计算公

式，并验证了正确性。仿袋鼠机器人在运动过

程中，肢体的伸屈使得较好地实现了能量的转

换，保证了跳跃能量的释放和储存能够得以连

续的进行，使得跳跃能够轻松而持久。这类跳

跃方式的机器人对于星际探索是十分重要的，

而且月球和火星表面重力加速度大大低于地

球，机器人跳跃运动能充分利用这个优势。

2.3 四足跳跃机器人

四足动物是哺乳动物中较大的群体，由四

足动物的跳跃特点可以演化出许多步态形式

和体态特征，每一种形态在现实生活中都将有

其特定的适用性。Fumitaka kikuchi[13]等人研制

了一种能在凸凹不平的地势上运动的四足跳

跃机器人（如图9所示），它能够跃过障碍物

或沟渠，主要用于抢险、救灾方面。

2.4 仿昆虫六足跳跃机器人

由Case Western Reserve University研制的蟋蟀跳跃机器人[14]，其腿部是由高分子管状纤

维编织成的人工筋，纤维内部通过微型空气压缩机充气，微控制器控制腿部微型阀门及空气

压缩机使人工筋做出绷紧与收缩动作，驱动蟋蟀机器人行走与弹跳。目前研制的弹跳蟋蟀长

700mm

，可以按比例估算将来采用

MEMS

技术制造的微型机械蟋蟀的重量、功率等参数。

目前，研究人员正在进行机构微型化工作。