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1引言
制造出象鳥一樣飛行、螞蚱一樣彈跳和滑翔的機器一直是人類的夢想，但由于理論和制造技術的限制，夢想一直沒有實現。人類從來都沒有停止過將夢想變為現實的腳步。隨著深入的研究，人類發現，與自然界生物相比，人類制造出的機械是那樣的粗糙、簡陋，遠沒有生物結構的精巧和經濟。例如，鳥類可以急飛急停，幾乎沒有轉彎半徑，它們能利用自身的有限能量飛越大海進行長途遷移，這些是人類設計的普通機械所不能達到的。當前，微/納米制造技術、智能控制技術、微傳感器技術的發展為仿生微機械的研究提供了必要的保障。
目前，蜜蜂等昆蟲的飛行空氣動力學特性還未研究透徹，無法建立有效控制模型。相對來說，有腿動物的腿部運動研究比較容易入手，有腿動物有很多種類，它們的運動方式也有很多種，如蜈蚣的多腿爬行、螞蚱的彈跳和張開雙翼滑翔，袋鼠的彈跳等等。最簡單的當屬青蛙的跳躍運動，本文將對這種最基本的跳躍運動進行研究。對該機理的研究將為多腿協調運動、撲翼飛行機理研究打下基礎。
目前機器人主要有兩種運動方式，一種靠輪子或履帶驅動；另外一種是仿生的爬行或步行方式。一旦地勢凹凸不平，輪子或履帶驅動的機器人將無法發揮應有的作用[1]。而步行或爬行機器人自由度多，控制復雜，運動緩慢，遇到障礙同樣無能為力。而彈跳機器人可以越過數倍至數十倍于自身尺寸的障礙物，將大大的提高機器人的活動范圍。正是由于這個特性，彈跳機器人在星球探索和軍事中可以發揮極大的作用――很多星球的表面重力加速度較小，機器人可以跳得更高更遠。下表1是月球上三種不同的運動方式的比較[2]。彈跳機器人還可以在破案偵察中發揮極大的作用，美國明尼蘇達大學的研究員尼古斯和他的同事研制出一種可以跳上樓梯和搜查危險建筑物內部的微型彈跳機器人，這種機器人可以爬樓梯，也可以跳過小的障礙物。它還有兩個獨立的輪子幫助機器人在必要時運動到要求的位置。它裝有一個很小的傳感器，并有一個可以突然從體內彈出的電視攝像機，攝像機既能左右擺動也能上下俯仰，可以拍攝周圍的全景。多個這樣的機器人一起協同工作，形成所謂的分布機器人，其主體思想就是利用多個機器人同時提供多種情報[3]。
表1：月球上移動系統的比較
|
運動方式 |
距離(Km) |
有效載荷(Kg) |
重量(Kg) |
消耗 |
|
彈跳 |
30 |
450 |
7 |
3小時 |
|
噴氣式 |
7 |
205 |
7 |
131Kg燃料消耗 |
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漫游式 |
17 |
1750 |
更多 |
數小時 |
2.彈跳腿
彈跳腿是彈跳式機器人中最關鍵的機構部分，它使機器人彈跳運動。當前主要有壓縮空氣彈力和機械彈性力兩種驅動力的彈跳腿。
利用壓縮空氣來提供彈跳能量是不錯的方法。它可以設計成活塞式的彈簧單高蹺，如圖1。
上圖1的機構是比較簡單的一種，它包括兩個起主導作用的自由度，一個是腿部的伸縮自由度 ，另一個是腿部關于機構身體部分的轉動自由度 。它可以在一個線性的軌道上有規律的移動。為了方便研究，可以把它簡化成圖2的模型。圖2顯示了彈跳腿的四個狀態，當機構著陸之后空氣被壓縮，能量得到積累，在能量積蓄到最大狀態后，機構開始起跳直至最高點[4]。通過對空氣體體積以及彈跳腿質量等參數的測量以及試驗，可以控制彈跳的高度。
還有一種特殊的方法來驅動機器彈跳，如圖3[5]。這個裝置只有一個主動自由度θ。如果位于中間鏈接處的質量中心加速旋轉，彈跳腿和地面接觸的底座將會離開地面。
目前，利用彈簧力來實現能量的轉換是最常見的方式。彈簧力是一種線性的，容易測量和控制的力。市場上也可以買到彈性標準件。國外已經開始對由彈簧力來提供彈跳能量的機器人進行研究了。下面介紹幾種國外的研究成果。
3D單足彈跳機器人
這是一種用來試驗腿部移動動態平衡性的實驗機器人。它具有一條可以改變長度的彈跳腿，同時機構本身攜帶有傳感器和接口電路以兩軸的驅動裝置。下圖4[6]就是3D單足彈跳機器人的圖片。
可以看到它的彈跳腿是一根彈性元件，要想讓它平衡移動是非常困難的。那么它的價值何在？ 正因為是一根很細的腿，它沒有其他的方法去保持平衡，這就去除了多條腿耦合研究的困難，更方便對單足機器人的平衡進行研究。其次，它為多腿機構中的每條腿的研究打下基礎。再次，單足機器人有最少的機械元件。機械元件越少意味著建造時間越少，找出機器失敗的原因的時間越短，機構操作的可靠性越高。這種3D機器人是在深入研究一種初步的平面原型：2D弓形彈跳腿的基礎上建立起來的。這種早期的彈跳腿的移動被限制在平坦的地面上。姿態調整裝置決定彈跳腿的移動只有三個自由度。圖5所示是圖4示意圖。圖5顯示了3D單足彈跳腿的三個重要的運動狀態：收縮、壓縮以及釋放。這個弓形腿是一個被彎曲的彈性元件，通過一根可繞公法線自由旋轉的軸和上面的機構連接在一起。一條連接在機構上部和底部的細線可以保持彈跳腿處于壓縮狀態。細線的長度可以通過延伸裝置改變，從而可以決定腿部彈性元件可存儲的能量多少。
2D Bow Leg Hopper
它較上面的機構有個明顯的缺陷就是只能在較為平坦的地面上才可以起跳。因為它的“腳”是一塊平板。但是可以通過控制器來調整它的姿態，從而讓它在復雜的地形上彈跳。NASA（美國航空航天局）已經將這種彈跳機器人應用到外空探索和軍事上。圖6[7]是NASA設計的這種彈跳機器人的圖片。它由三個部分構成：“腳”、底座和包含機構其余部分的翹起的裝置。翹起部分可依以據情況來
裝上諸如攝像機之類的東西。翹起部分包括的主要裝置為可延伸的彈跳腿和電動機。彈跳腿是由彈簧和連接元件組成，他們可以拉伸和壓縮彈簧，為下一次起跳積蓄能量時，電動機會驅動螺桿來壓縮彈簧從而使腿彎曲。當積蓄到預期能量時，電動機啟動裝置來釋放彈簧，通過腿部使彈跳機器人跳起來。彈跳機器人的底部質量分布比較大，這樣可以保證重心低，系統穩定。它克服了先前的彈跳效率不高、難操作、自我調整能力差等問題。與氣體、線性脈沖激勵以及其他的特殊的能量存儲和釋放方法相比，用彈簧裝置來實現能量的轉換方便且可操作性強。圖7的彈跳腿裝置[8] 可以提高能量轉換的效率。腿部的收縮是沿著y方向的。這樣一來，腿部裝置使線性的彈簧變成了一個非線性的“彈簧”，這點可以從圖8中的曲線看出來。而且它可以實現摩擦阻力小的要求。從圖很容易得出 和 的關系：
(1)
(2)
假設FX表示彈簧沿X 軸方向的拉力， FY表示彈跳腿沿Y 軸方向的推力，那么可以根據虛功原理寫出FX ，FY 的關系： FXDX=FYDY，進一步推導，得出：
(3)
k,l0分別是彈簧的彈性系數和原長。我們可以把式(2)代入(3)中從而得到 FY關于Y 的關系式(假定a=b )：
這是用matlab編程的方法畫出的Y和FY 的曲線關系圖。我們制作的腿部參數為(a=b=46.5mm,c=19.0mm, L0=52.5mm)
我們就可以算出每次彈跳腿彈跳提供的能量。由上式可得：
在Y的方向上對FY積分可算出彈跳一次彈跳腿所做的功：
3.彈跳機器人的未來
彈跳機器人要想得到廣泛的應用，首先必須解決彈跳的靈活性問題。靈活性表現在：①機器人體積小，可以隱蔽地執行任務，②為避開障礙物需要精確控制彈跳的高度和方向，③可以遙控，實現遠距離作業。為解決這些問題，需要廣泛的應用高新科技。隨著MEMS技術的興起，仿生機器人將得到極大的發展，它可以解決目前仿生機械難以做小的問題。機器人的彈跳能源也是一個值得研究的課題。未來的彈跳機器人將在遠距離作業，太陽能是一個非常方便的能源，可以在機器人身上裝上太陽能電池。彈跳機器人將為人類的科學研究提供各種豐富的圖片、聲音等信息，為此，機器人將根據需要攜帶各種信息設備，諸如微型攝像機、紅外傳感器以及無線發送及接收裝置等。
未來的彈跳機器人將是多功能的，它將集各種本領于一身。它可以在平坦的地面上滾動同時還可以在空中滑翔，這樣它將更靈活，更加節省能量。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號