哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第1章绪论 1.1课题背景 当今，机器人技术发展迅速，其应用也已经进入各个领域。随着应用的不 断推广，人们对机器人提出了更高的要求。在实际应用中，不仅要求机器人能 够适应结构化和已知的环境，更要求机器人能适应非机构化和未知的环境，这 就要求机器人要突破传统的轮式或者履带式的运动方式。在各种运动方式中， 行走机器人和跳跃式机器人在越障能力方面具有绝对优势，但是行走机器人的 越障能力有限，它受到自身高度和腿部机构的限制。相比之下，跳跃机器人能 够适应复杂和存在各种障碍物的恶劣环境。 跳跃机器人的运动轨迹是一系列离散的着陆点，对不平整的地面环境有良 好的适应性。此外，跳跃机器人在越障时，可以凭借跳跃能力，越过超过自身 尺寸数倍乃至数十倍的障碍物或者沟渠，充分的展现了跳跃运动的优势山。另 外，跳跃机器人在星际探索，例如月球微重力环境下，能够实现更有效率的运 动]。除此之外，跳跃机器人还可以完成军事侦察、反恐爆破、抗险救灾、考 古探测等任务 在各个机器人研究领域中，仿生机器人一直是一个非常活跃的领域。腿式 跳跃机器人是通过仿生学原理，将机器人的设计从生物形态上或者结构功能上 转化为工程领域的样机4。仿生腿式跳跃机器人的研究以生物界中善于跳跃的 生物体为原型，例如袋鼠、跳蚤、蝗虫、青蛙等。在这些跳跃生物中，袋鼠的 跳跃属于连续跳跃，即两次跳跃之间的时间间隔很短，姿态的调整和能量的补 充都在跳跃过程中完成，这种跳跃方式的一个优势是能量的循环利用。青蛙以 及跳蚤的跳跃形式是间歇性的，即在两次跳跃之间有明显的地面调整阶段，因 此可以提高单次跳跃的水平。在众多的跳跃生物中，青蛙的跳跃能力显著，依 靠后腿发力起跳，前肢缓冲着陆，并且其具有两栖的能力，对后期的两栖机器 人的开发具有一定的意义，因而具有较大的研究价值。 目前，机器人中用到的驱动器种类很多，有传统的电机、发动机，也有液 压和气动。在一些机器人中还用生物能量和化学能量作为能量源。在这众多的 驱动形式中，气动驱动方式有着清洁，高效率，压缩性强，过载保护等优点， 很适合应用到仿生机器人的研究中。因此，对基于气动驱动的仿青蛙跳跃机器 人进行研究有着重要的意义。 本文资助来源为国家自然科学基金(51005052)“面向两栖应用的青蛙仿生 机器人运动机理研究”。 -1-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 1 - 第 1 章 绪论 1.1 课题背景 当今，机器人技术发展迅速，其应用也已经进入各个领域。随着应用的不 断推广，人们对机器人提出了更高的要求。在实际应用中，不仅要求机器人能 够适应结构化和已知的环境，更要求机器人能适应非机构化和未知的环境，这 就要求机器人要突破传统的轮式或者履带式的运动方式。在各种运动方式中， 行走机器人和跳跃式机器人在越障能力方面具有绝对优势，但是行走机器人的 越障能力有限，它受到自身高度和腿部机构的限制。相比之下，跳跃机器人能 够适应复杂和存在各种障碍物的恶劣环境。 跳跃机器人的运动轨迹是一系列离散的着陆点，对不平整的地面环境有良 好的适应性。此外，跳跃机器人在越障时，可以凭借跳跃能力，越过超过自身 尺寸数倍乃至数十倍的障碍物或者沟渠，充分的展现了跳跃运动的优势[1]。另 外，跳跃机器人在星际探索，例如月球微重力环境下，能够实现更有效率的运 动[2]。除此之外，跳跃机器人还可以完成军事侦察、反恐爆破、抗险救灾、考 古探测等任务[3]。 在各个机器人研究领域中，仿生机器人一直是一个非常活跃的领域。腿式 跳跃机器人是通过仿生学原理，将机器人的设计从生物形态上或者结构功能上 转化为工程领域的样机[4]。仿生腿式跳跃机器人的研究以生物界中善于跳跃的 生物体为原型，例如袋鼠、跳蚤、蝗虫、青蛙等。在这些跳跃生物中，袋鼠的 跳跃属于连续跳跃，即两次跳跃之间的时间间隔很短，姿态的调整和能量的补 充都在跳跃过程中完成，这种跳跃方式的一个优势是能量的循环利用。青蛙以 及跳蚤的跳跃形式是间歇性的，即在两次跳跃之间有明显的地面调整阶段，因 此可以提高单次跳跃的水平。在众多的跳跃生物中，青蛙的跳跃能力显著，依 靠后腿发力起跳，前肢缓冲着陆，并且其具有两栖的能力，对后期的两栖机器 人的开发具有一定的意义，因而具有较大的研究价值。 目前，机器人中用到的驱动器种类很多，有传统的电机、发动机，也有液 压和气动。在一些机器人中还用生物能量和化学能量作为能量源。在这众多的 驱动形式中，气动驱动方式有着清洁，高效率，压缩性强，过载保护等优点， 很适合应用到仿生机器人的研究中。因此，对基于气动驱动的仿青蛙跳跃机器 人进行研究有着重要的意义。 本文资助来源为国家自然科学基金(51005052) “面向两栖应用的青蛙仿生 机器人运动机理研究