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 随着机器人技术的不断发展，机器人的移动方式在不断改进，跳跃机器人 能够比传统的轮式和履带式移动机器人更加适应非结构化环境。对有越障要求 以及危险工作环境的任务，跳跃机器人也能够充分发挥自身的移动优势，实现 更加灵活的自主运动和更加优秀的任务处理能力。 跳跃机器人运动轨迹为一系列离散的着地和起跳点，因此对不平整地面有 较好的适应性。在越障任务中，机器人可以跳跃超过自身尺寸数倍或者数十倍 的障碍以及沟壑，充分体现出跳跃运动方式的优势山。同时，在空间星系探索 中，例如月球等微重力环境下，跳跃运动能够实现更有效率的运动。此外， 在抢险救灾活动中，跳跃机器人具有的爆发性和灵活性等特点，有助于实现避 障，从而能够较好的应对各种不确定状况]。 生物在自然界中经过了数百万年的不断演变，身体功能在结构上实现了刚 性与柔性的完美统一，仿生研究因此有着广阔的素材空间。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 域中的样机4。腿式跳跃机器人的研究可以参考袋鼠，蝗虫，跳蚤，青蛙等生 物来进行研究。这些跳跃中，袋鼠的跳跃运动属于连续型跳跃，即两次跳跃的 时间间隔很小，在跳跃过程中动态的调整姿态和补充能量，这种方式有利于能 量在跳跃过程中的循环利用：而青蛙的运动属于间歇型跳跃，即在两次跳跃之 间存在明显的地面调整阶段，因而能够提高单次跳跃的水平。青蛙具有卓越的 跳跃能力，主要依靠弹跳后腿起跳，前腿进行着陆缓冲，具有较大的研究价值， 并且青蛙属于两栖动物，对日后进行两栖机器人的研究也有一定意义。起跳过 程经历时间短，爆发力强，起跳过程姿态不易控制，这些特点是研究驱动和控 制方面的难点。 目前更多种类的驱动得到研究并且逐渐应用到机器人中，从传统的电机、 发动机驱动方式，发展到以液压气动，生物能量，化学能量为能量源的驱动方 式，并且各自有着不同的优点。其中气动驱动方式，能源清洁，效率高，空气 有一定可压缩性，从而起到过载保护作用，适合应用到机器人的驱动中。 因此，研究以青蛙为原型的气动仿青蛙跳跃机器人有着重要意义。本文资 助来源于国家自然科学基金(51005052)“面向两栖应用的青蛙仿生机器人运动 机理研究”。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 随着机器人技术的不断发展，机器人的移动方式在不断改进，跳跃机器人 能够比传统的轮式和履带式移动机器人更加适应非结构化环境。对有越障要求 以及危险工作环境的任务，跳跃机器人也能够充分发挥自身的移动优势，实现 更加灵活的自主运动和更加优秀的任务处理能力。 跳跃机器人运动轨迹为一系列离散的着地和起跳点，因此对不平整地面有 较好的适应性。在越障任务中，机器人可以跳跃超过自身尺寸数倍或者数十倍 的障碍以及沟壑，充分体现出跳跃运动方式的优势[ 1]。同时，在空间星系探索 中，例如月球等微重力环境下，跳跃运动能够实现更有效率的运动[2]。此外， 在抢险救灾活动中，跳跃机器人具有的爆发性和灵活性等特点，有助于实现避 障，从而能够较好的应对各种不确定状况[3]。 生物在自然界中经过了数百万年的不断演变，身体功能在结构上实现了刚 性与柔性的完美统一，仿生研究因此有着广阔的素材空间。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 域中的样机[4]。腿式跳跃机器人的研究可以参考袋鼠，蝗虫，跳蚤，青蛙等生 物来进行研究。这些跳跃中，袋鼠的跳跃运动属于连续型跳跃，即两次跳跃的 时间间隔很小，在跳跃过程中动态的调整姿态和补充能量，这种方式有利于能 量在跳跃过程中的循环利用；而青蛙的运动属于间歇型跳跃，即在两次跳跃之 间存在明显的地面调整阶段，因而能够提高单次跳跃的水平。青蛙具有卓越的 跳跃能力，主要依靠弹跳后腿起跳，前腿进行着陆缓冲，具有较大的研究价值， 并且青蛙属于两栖动物，对日后进行两栖机器人的研究也有一定意义。起跳过 程经历时间短，爆发力强，起跳过程姿态不易控制，这些特点是研究驱动和控 制方面的难点。 目前更多种类的驱动得到研究并且逐渐应用到机器人中，从传统的电机、 发动机驱动方式，发展到以液压气动，生物能量，化学能量为能量源的驱动方 式，并且各自有着不同的优点。其中气动驱动方式，能源清洁，效率高，空气 有一定可压缩性，从而起到过载保护作用，适合应用到机器人的驱动中。 因此，研究以青蛙为原型的气动仿青蛙跳跃机器人有着重要意义。本文资 助来源于国家自然科学基金(51005052) ―面向两栖应用的青蛙仿生机器人运动 机理研究‖