单足跳跃机器人：多关节型腿部

受动物和人类运动敏捷性的启发，研究和开发腿式机器人的研究人员数量在过去的几十年中，它一直在快速增长。与多腿机器人相比，单腿机器人只有一种类型的运动步态，即跳跃代表高度非线性的动力学行为，包括飞行和站立阶段交替进行。 跳动动作有动态稳定并提出具有挑战性的控制问题。 关于腿式机器人的大部分研究专注于单腿跳跃的建模和控制机器。

腿式机器人得到大家的研究兴趣以及社会大众的关注主要是由于地球上面大都数生物都是腿式的动物，腿式的动物在复杂地形具有较强的适应能力。腿式的具体特点在于：

单腿系统配置更简单，仅接受一种步态，即跳跃。 这些机器人需要动态平衡。 研究单腿机器人的动机之一是为了更好地了解系统动力学和将其扩展到人类和动物的运动。跳跃的关键技术如主动平衡和动态稳定性。

对于多关节型腿部机器人，其是研究双足机器人、多足机器人的过度阶段，相应的技术可以应用到其他机器人中。对于多关节型的单足机器人，其基本原理可以借助袋鼠模型.

从袋鼠结构特性中可知， 袋鼠能够保持稳定跳跃很大一部分原因是由于其躯体质量所占比重大， 可以减小在腾空时腿部摆动对身体平衡的影响； 而由肌肉、骨骼、 腱及韧带组成的大腿能量机构也为袋鼠进行高速跳跃提供了动力来源。 可以将袋鼠头部、 前肢以及尾巴都当作身体质量来考虑。因此简化后的袋鼠运动模型由身体、 大腿、 小腿以及脚部四部分。

袋鼠运动

模型简化

Example 1

美国俄亥俄州立大学研制的双关节腿弹跳机器人，整个机器人由身体、 大腿、 小腿三部分组成。机器人完全由电机驱动， 其中大腿的转动直接由安装在髋关节处的电机驱动， 小腿的转动则由机体上的电机通过轮带的传动方式传递到膝关节处。 采用这种方式降低了减速器对输出转速的要求， 增加了脚掌对地面的输出力。

双关节弹跳机器人

示意图

如果要使有腿机器人能够执行动态操纵，则必须具有爆炸性的腿部力量。 动态演习可赋予动物和人类敏捷性，涉及轨迹或速度的突然变化，通常在追击/躲避情况下或穿越险恶地形时可见。 通常，这些演习采取高速转弯，躲避，跳跃和启动的形式。 但是，轨迹或速度的突然变化与大的加速度有关，而大的加速度必须通过爆发力的腿来实现。 当前，执行器功率仍然是腿式机器的主要限制，这使得动态操纵成为难以实现的目标。

在运动生理学中，进行有力的动态运动的能力归因于肌肉和肌腱的弹性。大量研究表明，肌腱弹性在增加各种运动的肌肉功输出中起着重要作用。罗伯茨和马什用跳牛蛙的简单模型解释了在肌肉动力加速过程​​中，肌肉的系列弹性元素SEE如何导致工作量增加。他们还指出，SEE使肌肉收缩速度与身体速度脱钩，从而使肌肉以更好的力/速度特性运动。此外，鲍伯特（Bobbert）发现，人的深蹲跳跃表现高度取决于腿部SEE的刚度。虽然仿生学说腿式机器人可以从这些相同的特性中受益，但对于将SEE的机械对应物（串联弹性执行器SEA）用于刺激动态运动的研究却相对较少。

Example 2

日本东北大学的 Hyon 等人通过观察分析狗的腿部结构， 研制出了仿生型单机器人“KenKen”. KenKen 腿部由液压驱动， 用来模拟生物肌肉；大腿与脚部之间连接有一根线性弹簧， 用来模拟跟腱的功能。 由于动力学模型较为复杂， 且多关节腿之间存在耦合， 研究人员采用“虚拟腿”的概念来简化模型。该机器人可以实现稳定的跳跃， 但由于采用液压驱动， 使得整体质量较大， 机身的平衡需要由空中悬吊的绳索进行维持。

KenKen

Example 3

日本丰田公司研制出的类似人形腿结构的单腿弹跳机器人如图 1-5 所示。 该机器人高约 1m， 整个腿部不带弹性元件， 通过电机转矩产生向上的推力。 整个机体可实现约 0.04m 的跳跃高度， 研究人员拟将其用于伤员运输

丰田单足机器人

Example 4

下面给出单足和上肢的协调运动仿真。

单足机器人弹跳运动研究

袋鼠运动对于多关节型的单足机器人运动具有较强的借鉴作用，袋鼠具有弹跳速度快、越障能力强、运动稳健、耗能低等特点，袋鼠运动的时候双腿是并拢的，相当于是一个单足机器人在运动，因而更加符合单足机器人的跳跃，单足机器人的控制器设计可以借鉴袋鼠的弹跳过程。

袋鼠弹跳周期运动示意图

在腾空阶段， 袋鼠运动也可细分为两个过程： 上升过程和下降过程。 其中上升过程为袋鼠脚趾蹬离地面到袋鼠质心处于最高点的过程， 而下降过程则为从质心最高点到脚趾接触地面的过程。 在整个腾空阶段， 袋鼠根据跳跃速度的大小，适当地调节腿部着地角度， 为下一周期的运动做好准备。

机器人的弹跳运动可以借鉴袋鼠的运动形式。 在单足弹跳机器人模型中， 其身体质量相对于整体质量的比重较大， 且等效的质心在髋关节处， 因此在研究机器人弹跳运动时可以忽略身体姿态的平衡问题。 而袋鼠在弹跳时其腿部的肌肉、腱以及韧带等组织储存与释放能量的过程类似于弹簧的压缩与伸长的过程。 因此整个过程可以用弹簧负载倒立摆模型进行研究

袋鼠模型到 SLIP 模型的简化

弹簧负载倒立摆模型(SLIP)是用来研究机器人弹跳运动的经典的模型， 整个模型由一个有质量的身体以及与髋关节相连的轻质弹簧腿组成。

SLIP 模型的弹跳运动示意图

Curran S, Knox B T, Schmiedeler J P, et al. Design of series-elastic actuators for dynamic robots with articulated legs[J]. Journal of Mechanisms and Robotics, 2009, 1(1).

单足弹跳机器人运动控制研究与系统设计[D]. 电子科技大学, 2015.