基于变刚度关节的仿生单腿机器人动态平衡控制与优化

Movement balance and efficiency of legged robots has become a hot research in the field of robot. Especially, when robots are required fast moving, these two aspects are particularly important. In this research , dynamic balance control and optimization of one-legged robot is studied by reference to human physiological characteristics and behavior mechanism of lower limbs. First, variable stiffness bionic joint with active and passive hybrid control performance and bionic mechanical leg are designed according to the physiological characteristics and structure of human lower limbs. And the robot model “flywheel spring loaded inverted pendulum” is established by collecting and analyzing data from human locomotion. Then, combining the advantages of coordinated control between flywheel and leg and balance strategy to realize the dynamic balance of hopping. Optimization method is used for selecting the optimal parameters of redundant joints to meet the requirement of coordinated control of each joint, and in view of the energy efficiency optimization problem, establishing the relationship between the joint stiffness and stride frequency is proposed to achieve the energy optimization of the hopping robot. Finally, the one-legged robot will be developed and experiments will be conducted to verify the mentioned methods. This study has important practical significance for promoting the theory and practical application of legged robots in our country.

腿式机器人运动的平衡性和高效性已经成为机器人领域的研究热点。当机器人需要快速移动时，这两方面就显得尤为重要。本项目借鉴人体下肢的生理特点及行为机制,开展单腿机器人的动态平衡控制和优化研究。首先，根据人体下肢的生理特点和结构，开发具有可变刚度的主被动混合控制仿生关节与仿生单腿机构。在此基础上，通过人体数据采集和分析，建立机器人的飞轮弹性负载倒立摆模型，通过飞轮和腿部的协调控制，以及平衡策略，实现机器人的动态平衡跳跃；研究机器人冗余关节参数的优选方法，满足机器人各关节的协调控制要求，并针对能量效率优化问题，提出建立关节刚度与步频间的联系，实现单腿跳跃的能量最优化。最后，开展单腿机器人的样机研制和实验验证。本项目的研究在推动腿式机器人理论的发展同时，也为促进我国足式仿生机器人的实际应用具有重要现实意义。

腿足机器人的动态平衡控制和高能效是腿足机器人走向实际应用急需解决的主要关键问题。目前大部分腿足机器人仍采用传统的刚性关节，导致了机器人在跑跳过程中环境适应性差、能量消耗高。针对这些问题和挑战，本项目以单腿机器人作为研究对象，开展单腿机器人的动态平衡控制和优化研究取得如下成果：. 首先，本项目搭建了人体运动捕捉软硬件系统，通过人体运动数据采集与分析，提出了一种面向人体跑跳运动的步态运动规律；基于仿生设计思想，研制了串联弹性驱动机构和变刚度弹性驱动机构作为机器人的关节执行器，实现机器人运动所需的力位混合控制和主被动运动控制；开发了分布式嵌入式实时控制模块，实现了非实时系统下的电机速度控制周期为1ms；在此基础上，先后开发了三代仿生单腿跳跃机器人，延伸开发了平面双足跑跳机器人。. 其次，本项目针对仿生弹性驱动关节，提出了一种基于神经网络和卡尔曼滤波相结合的速度/位置控制器，实现了关节模型参数变化下的自适应性，同时提出了基于状态反馈和自适应控制两种方法实现了在弹性关节快速运动下的精确位置跟随控制；针对高能效优化问题，提出了基于粒子群优化算法的膝踝关节刚度匹配协调控制算法；针对动态平衡控制问题，提出了基于力矩轮廓控制机器人躯干角动量的姿态控制方法以及模型学习方法，实现了在低带宽大延时下的动态平衡控制。.最后，在运动性能上，实现了单腿机器人的前向跳跃速度为0.8m/s，双足机器人的跑跳速度为1m/s。在能量效率上，实现了单腿机器人在跳跃高度 0.23m 时，平均 COT值为 0.38，机器人单周期最高COT值达0.29。. 在本项目资助下，课题研究培养了讲师1名，协助培养博士生2名，硕士生4名。发表14篇SCI/EI收录学术论文，其中SCI期刊检索5篇，EI期刊检索5篇，EI会议检索4篇。授权发明专利14项，其中授权美国发明专利1项，授权国家发明专利13项。.