隨著移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，大多數(shù)的場景下機(jī)器人已經(jīng)能夠取代人工進(jìn)行工作與探測。但在一些復(fù)雜的場景下，傳統(tǒng)的單一運(yùn)動(dòng)模式機(jī)器人往往難以有效工作。因此現(xiàn)階段機(jī)器人朝著更加靈活，多功能的方向發(fā)展。傳統(tǒng)移動(dòng)機(jī)器人的障礙穿越能力有限，在面對高于自身高度的障礙物例如樓梯、碎石、溝渠等非結(jié)構(gòu)路面時(shí)甚至難以移動(dòng)。跳躍機(jī)器人相對于傳統(tǒng)的移動(dòng)機(jī)器人擁有更強(qiáng)的越障能力，其可以輕易翻越數(shù)倍甚至數(shù)十倍于自身尺寸的障礙。近日，河海大學(xué)江蘇省特種機(jī)器人重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王延杰教授團(tuán)隊(duì)在國際期刊Advanced Intelligent Systems上發(fā)表以“Tumro: A Tunable Multimodal Wheeled Jumping Robot Based on the Bionic Mechanism of Jumping Beetles”為題的研究性論文。該工作從以跳甲的蓄能跳躍機(jī)理出發(fā)并結(jié)合功乘原理，提出了一種小電機(jī)驅(qū)動(dòng)的具有多種運(yùn)動(dòng)模式的小型跳躍機(jī)器人（圖1），該機(jī)器人具有快速的輪式運(yùn)動(dòng)與優(yōu)良的跳躍運(yùn)動(dòng)，有望在未來的復(fù)雜地形探測以及地外低重力行星探測發(fā)揮作用。目前該工作已被Advanced Science News報(bào)道（https://www.advancedsciencenews.com/meet-tumro-a-jumping-robot-inspired-by-beetles/），河海大學(xué)王延杰教授為該論文的獨(dú)立通訊作者，碩士研究生潘一帆為論文第一作者。

圖1 多模式跳躍機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)

面對復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)場景，單一的運(yùn)動(dòng)模式往往難以有效應(yīng)對。跳躍機(jī)器人相對于傳統(tǒng)的移動(dòng)機(jī)器人擁有更強(qiáng)的越障能力，其可以輕易翻越數(shù)倍甚至數(shù)十倍于自身尺寸的障礙。在自然界中存在著許多具有優(yōu)秀跳躍能力，高敏捷性的生物，尤其是昆蟲類，它們的跳躍高度通常為身長的數(shù)倍至數(shù)百倍不等，例如蝗蟲，跳蚤，吹泡蟲等。通過對跳甲跳躍過程的拆解分析，其跳躍過程的等效模型如圖1所示，該等效模型解釋了其能夠?qū)崿F(xiàn)高速跳躍的普遍機(jī)理，生物肌肉的拉伸行程通常較為有限，但通過一定的機(jī)械增益可以將肌肉的拉伸行程放大。在等效機(jī)械模型中，甲蟲的彈性外殼以及肌腱蛋白等被等效為一儲(chǔ)能彈簧。在等效模型中對甲蟲的跳躍過程進(jìn)行拆解，同樣的分為四個(gè)階段，這四個(gè)階段分別為：蓄能階段、釋能階段、加速階段和起跳階段。

圖2 甲蟲跳躍過程與跳躍機(jī)理分析

具有多種運(yùn)動(dòng)模式的跳躍機(jī)器人，能夠適應(yīng)更多場景，具有靈活性與高機(jī)動(dòng)性的機(jī)器人對未來的復(fù)雜場景探測至關(guān)重要。然而目前的多模式跳躍機(jī)器人在機(jī)動(dòng)性與靈活性上仍有進(jìn)一步進(jìn)步的空間，跳躍后的姿態(tài)調(diào)整以及額外的蓄能跳躍機(jī)構(gòu)也是限制現(xiàn)有多模式跳躍機(jī)器人機(jī)動(dòng)性能的關(guān)鍵因素。因此，受甲蟲跳躍蓄能機(jī)制啟發(fā)，將蓄能機(jī)構(gòu)融入到機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)中以進(jìn)一步的精簡結(jié)構(gòu)，課題組提出了一種多模式跳躍機(jī)器人，該機(jī)器人在蓄能時(shí)即可完成姿態(tài)切換，且在跳躍落地后無需姿態(tài)調(diào)整可立刻進(jìn)入到輪式爬行運(yùn)動(dòng)模式。機(jī)器人的最大跳躍高度達(dá)到3.0m，跳躍的峰值功率能夠達(dá)到233.97W，能夠通過最小70mm高的狹小空間，其最小轉(zhuǎn)向半徑為160mm（圖3）。

圖3 機(jī)器人的輪式運(yùn)動(dòng)與姿態(tài)切換

如圖4所示，我們對機(jī)器人的跳躍性能進(jìn)行了測試，在近乎垂直的起跳角度下，機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)垂直高度3m的跳躍，在傾斜的情況下，機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)1.4m的水平距離與2.1m的垂直高度的跳躍。

圖4 多模式跳躍機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能測試

機(jī)器人在輪式爬行狀態(tài)下，其前行以及原地轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的平均功耗為0.43W，在單邊旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的平均功耗為0.18W（圖5A-C）。對比顯示，本工作所提出的多模式跳躍機(jī)器人在質(zhì)量更大的前提下，仍能在跳躍高度上具有一定的領(lǐng)先。同時(shí)，機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與位姿改變策略使得機(jī)器人能夠在較小的高度內(nèi)實(shí)現(xiàn)爬行通過，因此在低矮空間的通過性上仍較現(xiàn)有的多模式機(jī)器人有一定的優(yōu)勢（圖5E-G）。

圖5 多模式跳躍機(jī)器人性能測試與運(yùn)動(dòng)效果對比

Advanced Science News是Wiley學(xué)術(shù)出版集團(tuán)主辦的科技新聞網(wǎng)站，報(bào)道在其旗下期刊上發(fā)表的最新重要研究成果。相關(guān)工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2022YFB4703401)、江蘇省研究生科研與實(shí)踐創(chuàng)新項(xiàng)目(422003180)、中央高校業(yè)務(wù)費(fèi)（B230205024）的資助。

論文在線網(wǎng)址：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aisy.202400024（潘一帆）