Sandflea机器人文献综述

1、Sandflea机器人文献综述简介Sandflea“沙蚤”由美国国防高级研究计划局（DARPA）联合波士顿动力公司共同研制。它能够垂直跳跃，高度达9m,能独立越过壕沟和障碍，并通过图像接口向遥控人员传送详细的视频或高分辨率快照。现以其为代表针对行进、弹跳、减震等对弹跳机器人进行机械构造方面的分析研究。研究起源最早的弹跳机器人是1980年在麻省理工机器人实验室研制的单腿弹跳机器人MarcRaibert。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。之后模型进行了改进，增加了铰接式的关节,从而使模型可以在三维空间运动。另一个较早的弹跳机器人模型为Acrob

2、aticRobot。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,唯一的旋转关节同时充当动力源和平衡臂的作用。以后的弹跳机器人都是以在此基础上推导出的公式进行更深入的研究。但在实际中这两种模型存在很多问题,首先模型中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,才能保证其稳定及供给能量。弹跳机器人分类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，以上所介绍的两个较早的机器人均属于此类，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。其优点是第二次起跳能够部分利用前

3、一次的下落势能，使得能量利用效率较高，因此弹跳频率较快，活动范围大，对于这方面的研究主要是如何在连续的弹跳运动中保持稳定，理论研究集中这方面的运动学动力学分析。另外一类弹跳机器人作间隙性运动，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。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。在间隙弹跳运动中如何实现弹的更高、跳的更远，构建具有实用价值的弹跳机器人是研究重点。在现阶段，对间隙性弹跳机器人的研究较多，已面世的具

4、有实用价值的弹跳机器人大多为此类。迄今为止，有关间歇式弹跳机器人机构设计方面的研究主要集中在如何利用机构实现储能、跳跃以及倒地后翻转复位等方面。BURDICK等先后研制了三代间歇式弹跳机器人，第一代球形弹跳机器人通过丝杠压缩弹簧进行储能，利用锁定释放机构释放弹簧储能进行跳跃。落地后利用低重心和球形外壳的结构特征自行复位。第二代仿蛙弹跳机器人利用对称齿轮六杆机构将储能弹簧的线性力转化为起跳方向上的非线性力，有效避免了提前起跳，能量利用率较高，倒地后利用太阳能电池板翻转复位。第三代轮腿式机器人较第二代增加了起跳角度调整机构，但未设计翻转复位机构。这三代机器人均不能调整弹簧储能的大小。KOVA等研制

5、了一种球笼形间歇式弹跳机器人，利用凸轮对四杆弹跳机构铰轴处的扭簧进行储能，通过控制凸轮的转动释放扭簧储能。球笼形结构既可减缓落地时对机器人的冲击，又可辅助其完成复位。该机器人质量小，跳跃性能好，但未实现储能大小和起跳角度的自动调整。ZHAO等利用齿轮传动收卷齿轮一五杆弹跳机构中的绳索，并对该机构中的弹簧进行储能，通过控制缺齿齿轮的转动释放弹簧储能。其储能大小可调，但未涉及起跳角度的调整和倒地后翻转复位的问题。TSUKAGOSHI等研制了一种气动轮腿式弹跳机器人，车轮外侧的半球形结构有效降低了机器人落地后发生侧翻的可能性，但未对气压大小和起跳角度的调整问题进行讨论。此外，其他研究工作同样未讨论储

6、能大小和起跳角度的调整问题。储能大小和起跳角度的不可调整，使弹跳机器人跳跃轨迹唯一，不具有可控性，降低了其适应复杂地形的能力。弹跳机器人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。对于仿生方面，各国研究人员研究的较多，Scarfogliero等仿生蟋蟀后腿设计的跳跃机器人，采用偏心凸轮驱动四杆机构实现跳跃，并通过添加尾翼及柔性腿提咼其起跳、落地的稳定性；Yamakita等模拟猫的蹬墙跳跃运动，提出由两四连杆机构并联构成的跳跃机器人，将其等效为弹簧-质量模型，并对跳跃过程中姿态调节进行了仿真分析；Hvon等

7、研制的仿生狗单足跳跃机器人，将三根连杆作为跳跃腿，两个液压缸作为驱动肌肉，弹簧模拟肌腱，通过压缩弹簧提供推力实现跳跃，用绳索辅助机构提咼运动稳定性。李霏等通过仿生叶蝉的跳跃运动，研制出Grillo小型机器人，并加装两翼以提高跳跃的稳定性。杨小传、胡海拉等人在单足弹跳机器人弹跳机构设计与弹跳动力学分析基于仿生学原理、通过模仿青蛙的跳跃，设计并制作了一种结构简单、新颖的弹跳机构。通过将其简化成双质量弹簧模型，得出其能实现跳跃时弹簧所需储存的最小能量。在此基础上进一步推导出双质量弹簧系统在空中阶段质心和底座重心运动的规律。仿真结果表明,弹跳腿所能储存的能量超过其跳起的必要条件，从而进一步说明该设计是

8、可行的。陈东良、吴磊等人在仿蝗虫弹跳腿机构研究中基于对现有蝗虫跳跃机理及蝗虫弹跳腿部肌肉特性的研究，建立了弹跳腿机构的三维模型，利用仿生四杆机构对跳跃中腿部的运动轨迹进行了模拟还原，同时分析了该模型的仿生机构学和力学特性，得出了机械效益和足尖点受力仿真曲线。进一步设计完成了仿蝗虫弹跳腿机构样机，通过实验验证其不仅具有较高的形态仿生特点，同时具有较好的弹跳能力。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。张军，宋光明等人在可折叠轮式弹跳机器人FoldJumper的运动性能研究介绍的可折叠轮式弹跳机器人Foldjumpe

9、r采用滚动和弹跳两种运动方式，分别用于通过平坦路面以及越过障碍物。该机器人设计有条可折叠的腿，其末端安装根拉伸弹簧。弹跳模式下，电机齿轮凸轮系统驱动两条腿展开，弹簧拉开存储弹性势能；弹簧释放后，两腿迅速折叠，弹簧弹性势能转化为机器人动能，实现弹跳运动；轮式模式下，两腿处于伸展状态，通过安装于足端的轮子实现前行。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。Sandflea性能介绍Sandflea属于间歇性弹跳机器人，直接利用简单机构产生弹力。行进功能：轮式机器人，采用前轮驱动。弹跳能力：Sandflea的助推装置采用二氧化碳为原料气动系统支持在一次补给下满足多次跳跃。减

10、震效果：该车车轮采用蜂窝式无气轮胎具有一定的减震、减重、耐磨作用。在空中时，通过车轮快速旋转，进行飞行操控，尽量保持车身水平，4轮着地，缓冲着陆时车辆与地面的碰撞强度。设计优点：1、采用两侧支架，增加稳定性2、对称布局，上下面均可实现支撑作用。Sandflea分析研究Sandflea作为美国官方研制开发的弹跳机器人，本身具有许多先进性，在查阅相关资料和观看了其现实环境中的测试视频后，在此做出讨论分析。落地翻转问题：为了提高弹跳机器人的地面适应性，解决弹跳机器人落地后的翻转问题，研究人员从蝗虫和龟类的翻转研究中得到启示，发现龟类和蝗虫成功实现翻转的共同特性：在翻转过程中，必然有一个支撑点来进行支

11、撑，为翻转提供支。蝗虫通过一侧的后右腿来支撑，海龟通过头部来支撑，而陆龟背部高，实际也是提供了支撑；必然有旋转的过程，蝗虫另一侧的后腿旋转来实现身体的旋转，海龟通过颈部的用力，实现身体旋转，而陆龟通过甩动头部和四肢来实现身体的旋转。由此来设计结构简便、易于控制、集支撑与翻转功能为一体的翻转机构。在仿真的基础上，对翻转机构进行构型和尺寸优化，保证机器人结构紧凑，轻量化和较高的电动机利用率。搭建翻转机构平台，验证了翻转机构原理的可行性和优化设计的正确性，为弹跳机器人进一步的创新研究提供了理论基础和依据。目前的研究主要集中在理论方面，剑桥大学对蝗虫进行了研究，利用建模分析了蝗虫的翻转过程，为蝗虫翻转

12、过程的创新研究提供了理论基础和依据，但其研究主要停留在理论阶段，并没有设计出相应的翻转机构。NASA研制了第二代跳跃机器人，该机器人具有一定的机体姿态调节能力，在机器人跳跃落地后，如果倾覆发生，可以使机体翻转90°，但该跳跃机器人没有解决跳跃落地后，机器人机体发生180°翻转的情况，其应用具有很大的局限性。国内南京航空航天大学在研究跳跃式移动机器人机构设计及实现时，提出了倾覆翻转机构的构想，其构想只能解决机器人120°左右的翻转，不能解决完全翻转的情况，并且其研究停留在理论研究阶段，并没有搭建相应的试验平台。由此可知，这些研究虽然取得了一些进展，但仍处于理论和试验

13、探索研究阶段，对于机器人完全实现翻转以及翻转的优化等问题尚存在不足。Sandflea行进采用轮式，把弹跳运动和其它的运动方式相结合，具有更高的机动性，上下面均可实现支撑作用，不存在落地翻转，还要设法回复到预备弹跳的姿态。但是这样的话，探测装置安装在何处？不同面着地需要调节探测视角，是否正加了控制难度？弹跳装置：弹跳机器人的跳跃动作由弹跳机构实现，弹跳机构的结构模型通常为倒立摆，开链连杆机构和闭链连杆机构。与倒立摆和开链连杆机构相比，闭式连杆机构可先利用弹簧等储能元件进行储能，然后通过瞬间释放储能的方式进行跳跃，并且易于实现较少数量的小功率电机驱动，这对实现机器人的自主跳跃并提高跳跃性能十分必要

14、。闭链式弹跳机构目前主要采用对称六杆、五杆和四杆机构。闭链式弹跳机器人从储能释放到脚离地的过程为起跳阶段，离地后质心的运动轨迹为抛物线，起跳前通过改变闭式连杆机构的结构参数，可调整离地时质心速度的大小和方向，进而获得不同形状的抛物线运动轨迹，提高了机器人对复杂地形的适应性。此外，气动弹跳逐渐开始进入研究人员的视线，其具有结构简单、质能比大的特点，并且单足跳跃和多足跳跃之间的控制算法具有很强的通用性，在跳跃机器人领域得到广泛的关注。气动弹跳腿的跳跃性能主要受其能量补充方式、离地起跳方式以及腾空阶段活塞位置和压力调节的影响。MIT机器人腿实验室的Raibert等人在触地阶段对气缸上腔充入高压气体实

15、现能量补充，通过活塞杆和机身的碰撞实现离地起跳；腾空阶段控制上腔气体压力至某一设定值。Naik、赵明国等人也在此基础上成功实现了单足机器人的控制。上述控制中，离地起跳时刻会发生活塞与气缸端盖的碰撞，产生能量损失和降低系统稳定性，同时未对腾空阶段活塞相对于气缸的位置进行控制分析。刘刚峰，赵杰在面向侦察机器人的气动弹跳机构建模与分析中为提高侦察机器人的运动和生存能力，将弹跳运动与轮式运动相结合，建立了一种新型侦察机器人。以一种新颖的气动弹跳机构实现了机器人的弹跳运动，介绍了气动弹跳机构的特性，推导了气动弹跳过程中各耦合参量之间的关系，分析了弹跳高度的影响因素，并进一步提出调整换向气阀开关时间从而控

16、制机器人弹跳高度的控制方案。李哲、苏兴旺等人在气动弹跳腿垂直方向稳定跳跃研究对气动弹跳腿的运动过程进行了理论分析和仿真研究，提出触地阶段利用气缸上下腔压力差将弹跳腿带离地面的控制策略，减小了能量损耗。提出腾空阶段基于能量调节的控制策略，增强了腿部系统的稳定性。分析了气动弹跳腿腾空阶段设定气缸活塞位置对其跳跃高度和机身质心的影响，丰富了跳跃高度的调节方式。唐志勇，陈辰等人在四腿液压弹跳机器人的单腿起跳优化设计针对提高关节型液压驱动弹跳机器人的环境适应性，提出了另一重要控制参数地面支持力。通过增加腿部力量推动机身做功位移，同时保持推动力恒定，消除足端对地面的作用力的波动，以减小弹跳所需支持力的峰值

17、，降低对地面硬度的要求。另一方面通过合理的运动规划，使得机器人在保持弹跳高度、负载不变的前提下，对液压系统流量及压力的要求降低。在NASA和美国自然基金的资助下，Raibert研制出著名的液压单腿跳跃机器人，动作灵活、迅速和强有力，被公认为领域内最优秀的代表作。Sandflea采用气动弹跳机构并与移动轮相结合，综合了轮式运动和弹跳运动各自的优点，提高了机器人的活动范围和生存能力。而且弹跳高度更高，适应能力更强，但是毕竟体积有限，持续运作能力是否较差？不过液气压传动原理在弹跳装置上的应用，如果应用得当应该可以很好提高弹跳性能。落地稳定性：解决弹跳机器人的着地问题对弹跳机器人发挥其实际应用价值具有

18、重要意义。目前对机器人柔性脚的研究主要集中在脚部柔性及其储能特性对机器人落地缓冲作用方面，而尚未对仿生脚部轮廓形变的自适应运动稳定性开展研究。为了满足机器人单足跳跃的稳定性要求，其脚部与地面的接触域在低速跳跃时要大，即脚部呈伸直状态;而在高速跳跃时要小，即脚部弯曲呈脚尖接触状态，所以要求机器人脚部具有能随不同跳跃速度状态下触地轮廓形变特性，同时其形变刚度也应具有随接触过程的时变刚度特性，以调整地面反力的作用点、方向和大小，从而确保机器人实现落地缓冲和稳定性的自适应功能。为此，以刚柔混合的仿袋鼠跳跃机器人柔性脚部为研究对象，并将形变分布式柔性机构拓扑优化设计引入仿生柔性脚的设计，旨在探索一种具有自适应形状和刚度变化的仿生柔性脚。在跳跃机器人刚柔混合模型的基础上，提出利用分布式柔性机构来实现机器人的脚部设计。静力实验表明:拓扑优化的结果基本满足预期要求，通过系统动力学仿真，得出如下结论：（1）柔性脚在着地过程中的弯曲变形可以使机器人的落地稳定性得到很大提高，特别是避免在极限位置处的倾翻。（2）柔性脚最明显的作用就是利用脚部本身的弹性材料