基于骨骼肌和跟腱柔性作用机理的六足机器人腿部被动特性研究

The ability to rapidly deal with suddenness like leg collision and foot slippage during locomotion is one of the key techniques to improve the motion performance and to promote the practical applications of hexapod robots. Animals in nature hold superior ability to react to sudden situations, in which the passivity in musculoskeletal structures plays an important role. In this perspective, this project starts with the nonlinear elasticity of skeletal muscles and Achilles tendon, explores the functional mechanisms to provide a biological basis, and investigates the coupling dynamic characteristics and combined influences of joint parallel elasticity and leg distal elasticity on the hexapod robot leg. The main contents are as follows: (1) research on nonlinear parallel elasticity in joints based on skeletal muscles; (2) research on nonlinear distal elasticity in legs based on Achilles tendon; (3) rigid-flexible coupling dynamics modeling and characteristic analysis of the hexapod robot leg that integrates passivity; (4) prototype development of the hexapod robot leg and experimental research. The implementation of this project is expected to improve the bio-inspired design of parallel elasticity in robotic joints and distal elasticity in robotic legs, enhance the disturbance rejection and foot-terrain impact buffering performances of robotic legs, and lay the foundation for the practical applications of hexapod robots.

对运动过程中腿部碰撞和足端滑落等意外情况的及时应对能力是提高六足机器人运动性能、促进其走向实用化的关键技术之一。自然动物拥有卓越的应对突发状况的能力，其中自身肌肉骨骼结构中的被动特性发挥了至关重要的作用。基于此，本项目从动物骨骼肌和跟腱的非线性柔性入手，探究其作用机理并以此为仿生学基础，研究六足机器人关节并联柔性和腿部末端柔性的动力学耦合特性和对腿部性能的综合影响。具体研究内容包括：(1)基于骨骼肌柔性的关节非线性并联柔性研究；(2)基于跟腱柔性的腿部非线性末端柔性研究；(3)含有被动特性的六足机器人腿部刚柔耦合动力学建模及特性分析；(4)六足机器人腿部原理样机研制与实验研究。本项目的实施将促进机器人关节并联柔性和腿部末端柔性的仿生设计，提高机器人腿部的抗干扰性能和足地冲击缓冲性能，为六足机器人的实际应用奠定基础。

六足机器人冗余的肢体结构和离散的运动方式使其理论上具有卓越的地形适应能力，因而可应用于诸如灾害现场搜救、外太空探测等复杂环境和极限任务中。机器人腿部的被动特性对机器人的运动性能有着直接的影响，合理的腿部被动特性能够提高机器人的自适应能力，减轻其对主动控制的依赖。基于此，本项目以生物柔性机理为突破口，对柔性机构在六足机器人腿部的合理应用进行了深入研究，并研制了六足机器人腿部原理样机。在本项目的资助下，揭示了骨骼肌等生物柔性的力学机理，建立了柔性的力—变形关系对关节抗干扰性、能耗等特性的影响规律，并为机器人腿部柔性的仿生设计提供了理论指导。本项目通过对机器人腿部柔性机构的研究，重新审视了机器人机械系统和控制部分的关系。研究阐明，这种通过机械系统自身获得的机械智能具有更快的响应速度、更简单的系统结构和更高的系统可靠性，因而可作为控制系统的有效补充，以克服反馈-计算-执行环节中的时间延迟。本项目的实施为机器人中机械智能的利用、机器人及时应对能力的改善提供了新的思路和途径，促进了机器人的实用化。