【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种可操作的飞行和弹跳的机器人(例如，混合弹跳-飞行机器人)及其控制方法。
技术介绍
1、自然界中的许多生物体通过跳跃行为和飞行行为的整合来实现混合行进。诸如鹦鹉和麻雀等树栖觅食鸟类通过将树枝之间的跳跃与间歇飞行相结合表现出高度敏捷性(1)。诸如蝗虫、沫蝉和跳蚤等昆虫整合跳跃行为和飞行行为来在复杂的环境中行进并躲避捕食者(2–4)。鼯鼠(5)和天龙蜥蜴(6)进行混合跳跃和滑翔来实现长跳跃距离。这些示例展示出混合跳跃-飞行行进对于提高机动性、敏捷性、效率和多功能性的潜在好处。
2、开发出能够实现连续跳跃和飞行的混合弹跳-飞行机器人具有挑战性，特别是考虑到常规跳跃机构的局限性和复杂性时。虽然已经报道了一些燃烧驱动的机器人跳跃器(7–10)，但现有的能够跳跃的机器人主要基于闩锁驱动机构(11–29)或无闩锁的驱动机构(30–36)。
3、具有闩锁驱动机构的跳跃器采用闩锁机构来实现从安装的弹性体中快速释放能量，这使改变跳跃高度和连续弹跳变得困难。如果被动地触发爆炸性能量释放(例如，经由凸轮擒纵机构或棘爪棘轮机构)(11–15、19、22–24、26–29)，则跳跃高度根据预定的张力而固定，从而限制了机器人的能力。另一方面，如果主动地触发爆炸性能量释放，则跳跃高度是可变的，但连续弹跳仍然困难，因为释放必须在机器人落地时精确触发(17、18、20、25)，从而影响机器人的跳跃敏捷性。
4、具有无闩锁的驱动机构的跳跃器可以利用驱动器直接驱动其腿(30、37-39)，从而实现高度可变的连续弹跳。
5、现有的创造能够跳跃和飞行的机器人的尝试直接将跳跃机构与空中平台结合起来(15–18、40–42)。这允许机器人通过跳跃辅助起飞快速地获得高度。然而，这些现有的机器人无法实现连续弹跳、微调跳跃高度和/或持续飞行。
技术实现思路
1、在本专利技术的一些实施例中，提供了一种混合弹跳-飞行机器人，其通过被动弹性伸缩腿来增强微型飞行器(图1)。这产生机械上简单而高效的设计，该设计直接利用现有的微型飞行器的旋翼进行跳跃。已知可以跳跃和飞行的机器人(43)，但它只能在飞行之间执行孤立的跳跃，而无法执行连续弹跳。与现有的机器人不同，本专利技术的一些实施例中的混合弹跳-飞行机器人在空中阶段而不是支撑相阶段被驱动，从而实现连续弹跳和可调节的跳跃高度。
2、被动弹性腿将本专利技术的一些实施例中的混合弹跳-飞行机器人(即，本文中称为“弹跳旋翼机(hopcopter)”)与现有的跳跃机器人区分开来，从而允许混合弹跳-飞行机器人实现前所未有的弹跳敏捷性。没有支撑相驱动允许较短的支撑相阶段时间，从而实现更高的跳跃频率和敏捷性。为了展示高弹跳敏捷性，构建了42克弹跳旋翼机原型，并辨识和表征了机器人的弹跳动力学。基于结果，开发出了基于模型的弹跳控制器，以使用外部反馈在弹跳过程中稳定机器人。对于每次弹跳，被动伸缩腿通过弹性反冲吸收和储存动能，同时基于推力的驱动补偿了能量损失并稳定了姿态和速度。实验结果表明，机器人能够准确地跟踪参考轨迹，验证了所提出的三维弹跳模型，并表明弹跳旋翼机的平均弹跳速度接近理论弹道极限，超越了包括salto-1p的最先进的跳跃机器人(32)。这将所提出的方法与依赖于闩锁弹性驱动的方法区分开来，闩锁弹性驱动对连续弹跳和可变的跳跃高度施加限制；并且这将所提出的方法与依赖于无闩锁的串联弹性驱动的方法区分开来，无闩锁的串联弹性驱动需要更长的支撑相时间。在飞行模式下，本专利技术的一些实施例中的机器人可用作常规微型飞行器，允许稳定的悬停、敏捷的操纵和平滑的飞行-弹跳过渡。飞行过程中的间歇弹跳极大地增强了瞬时加速度以实现快速急转弯。
3、为了仅使用机载传感器来实现稳定的弹跳，机器人配备了主动气动稳定器。这些气动面在没有外部反馈或视觉的情况下在动力学上影响着陆姿态，稳定弹跳速度和姿态。所实现的弹跳旋翼机的混合弹跳-飞行行进在复杂的环境中进行行进时提供了前所未有的多功能性。与难以顺利通过崎岖地形的轮式飞行器(44–50)不同，弹跳能力允许机器人克服障碍并穿越不平坦的地形。与能够飞行的双足腿式机器人(51-54)相比，弹跳机构效率更高，行进所需的能量更少。通过无缝整合飞行和跳跃，我们的方法实现了协同混合行进，其中，飞行机构促进被动跳跃，间歇跳跃在飞行时产生快速转弯的大加速度。这种多模式行进能力有可能从根本上扩大机器人能够有效且高效地进行操作的环境范围，即，从杂乱的室内空间到崎岖的室外地形。
4、根据本专利技术的一方面，提供了一种机器人，该机器人包括空中单元、与空中单元可操作地耦接的被动腿机构、以及控制器，控制器被配置为控制空中单元的操作，使得机器人至少在飞行模式和弹跳模式下是可操作的。
5、在一些实施例中，控制器可以被配置为控制空中单元的操作，使得机器人在操作期间在飞行模式与弹跳模式之间交替。
6、在一些实施例中，被动腿机构可以仅由单个伸缩腿装置组成。
7、在一些实施例中，单个伸缩腿装置可以包括固定到空中单元的上腿区段、经由一个或多个连接器与上腿区段可移动地连接的下腿区段、以及可操作地耦接在上腿区段与下腿区段之间的弹性机构。
8、在一些实施例中，控制器可以被配置为预测机器人在弹跳模式下的着陆位置。
9、在一些实施例中，控制器可以被配置为基于机器人的当前弹跳周期的着陆姿态来确定机器人的下一弹跳周期的着陆位置。
10、在一些实施例中，空中单元可以包括迷你无人机或微型无人机。
11、在一些实施例中，空中单元可以包括微型四轴飞行器。
12、在一些实施例中，伸缩腿装置还可以包括一个或多个导轮组，该一个或多个导轮组中的每一个可操作地耦接在该一个或多个连接器中相应的一个连接器与下腿区段之间，以将下腿区段的运动限制为仅平移并减少摩擦。导轮组可以包括例如轴承。
13、在一些实施例中，下腿区段可以包括用于接触地面或环境的脚。
14、在一些实施例中，下腿区段可以包括用于支撑弹性机构的一部分的第一钩子，并且连接器中的至少一个可以包括用于支撑弹性机构的另一部分的第二钩子。
15、在一些实施例中，弹性机构可以包括一个或多个弹性元件。
16、在一些实施例中，该一个或多个弹性元件可以安装在上腿区段与下腿区段之间，使得该一个或多个弹性元件被拉紧以提供可操本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种机器人，包括：
2.根据权利要求1所述的机器人，其中，所述控制器被配置为控制所述空中单元的操作，使得所述机器人在操作期间在所述飞行模式与所述弹跳模式之间交替。
3.根据权利要求1所述的机器人，其中，所述被动腿机构仅由单个伸缩腿装置组成。
4.根据权利要求3所述的机器人，其中，所述单个伸缩腿装置包括：
5.根据权利要求1所述的机器人，其中，所述控制器被配置为预测所述机器人在所述弹跳模式下的着陆位置。
6.根据权利要求1所述的机器人，其中，所述控制器被配置为基于所述机器人的当前弹跳周期的着陆姿态来确定所述机器人的下一弹跳周期的着陆位置。
7.根据权利要求1所述的机器人，其中，所述空中单元包括迷你无人机或微型无人机。
8.根据权利要求7所述的机器人，其中，所述空中单元包括微型四轴飞行器。
9.根据权利要求4所述的机器人，其中，所述伸缩腿装置还包括一个或多个导轮组，所述一个或多个导轮组中的每一个可操作地耦接在所述一个或多个连接器中相应的一个连接器与所述下腿区段之间，以将下腿区段的运动限
10.根据权利要求4所述的机器人，其中，所述下腿区段包括用于接触地面或环境的脚。
11.根据权利要求10所述的机器人，
12.根据权利要求4所述的机器人，其中，所述弹性机构包括一个或多个弹性元件。
13.根据权利要求12所述的机器人，其中，所述一个或多个弹性元件安装在所述上腿区段与所述下腿区段之间，使得所述一个或多个弹性元件被拉紧以提供可操作为超过所述机器人的重量的弹力。
14.根据权利要求4所述的机器人，其中，从所述下腿区段的最低端到所述机器人的质心CoM测得的长度是所述空中单元的轴距长度的至少两倍。
15.根据权利要求1所述的机器人，还包括：稳定器，可操作为与气流相互作用以稳定所述机器人。
16.根据权利要求15所述的机器人，其中，所述稳定器被配置为在没有外部反馈或视觉的情况下控制着陆姿态并稳定弹跳速度和姿态。
17.根据权利要求15所述的机器人，其中，所述稳定器包括一个或多个水平铰接的气动面。
18.根据权利要求17所述的机器人，其中，所述一个或多个水平铰接的气动面由连接到驱动单元的缆线装置驱动。
19.根据权利要求18所述的机器人，其中，所述一个或多个水平铰接的气动面被布置为当所述缆线装置被驱动时变为刚性的，并且当所述缆线装置被解除驱动时响应于气流而自由摆动。
20.根据权利要求1所述的机器人，其中，所述控制器被配置为：
21.根据权利要求20所述的机器人，其中，所述控制器被配置为：
...【技术特征摘要】
1.一种机器人，包括：
2.根据权利要求1所述的机器人，其中，所述控制器被配置为控制所述空中单元的操作，使得所述机器人在操作期间在所述飞行模式与所述弹跳模式之间交替。
3.根据权利要求1所述的机器人，其中，所述被动腿机构仅由单个伸缩腿装置组成。
4.根据权利要求3所述的机器人，其中，所述单个伸缩腿装置包括：
5.根据权利要求1所述的机器人，其中，所述控制器被配置为预测所述机器人在所述弹跳模式下的着陆位置。
6.根据权利要求1所述的机器人，其中，所述控制器被配置为基于所述机器人的当前弹跳周期的着陆姿态来确定所述机器人的下一弹跳周期的着陆位置。
7.根据权利要求1所述的机器人，其中，所述空中单元包括迷你无人机或微型无人机。
8.根据权利要求7所述的机器人，其中，所述空中单元包括微型四轴飞行器。
9.根据权利要求4所述的机器人，其中，所述伸缩腿装置还包括一个或多个导轮组，所述一个或多个导轮组中的每一个可操作地耦接在所述一个或多个连接器中相应的一个连接器与所述下腿区段之间，以将下腿区段的运动限制为仅平移并减少摩擦。
10.根据权利要求4所述的机器人，其中，所述下腿区段包括用于接触地面或环境的脚。
11.根据权利要求10所述的机器人，
12.根据权...
【专利技术属性】
技术研发人员：白松楠，帕蓬·奇拉拉塔纳农，丁润泽，
申请(专利权)人：香港城市大学，
类型：发明
国别省市：
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