基于变阻抗柔性关节的双足机器人动态步行研究

Biped walking can be divided into active-control based motion and passive-control based motion from a biomechanical perspective. The active-controlled biped robot can obtain various walking gait, however their walking consumption is high and the walking gait is quite unnatural. On the other hand, the passive dynamic walking robot can walk with natural gait and low energy consumption. However the existing passive walking robots are of poor practicability. How to combine the advantages of these two kinds of robots to achieve natural, efficient and multi-mode motion is a hotspot in current researches. The application of the compliant joints provides an important solution to combine the active and passive controls, making it possible to combine natural dynamics of the robots with the active controls and thus to decrease the effect of the foot-ground impact and enhance the walking stability and efficiency. In most current studies, the compliance of the joints is limited, lack of the stability of adjusting the joint impedance actively. However, the adjustment of the impedance especially the damping can compensate the negative effect on robot trajectory tracking and vibration suppression ability due to the engaged flexible elements. In this study, our research is based on the compliant joints in which the joint impedance can be controlled. We will study biped dynamic walking method, which contains the design, analysis and optimization of the variable-impedance compliant joints, identification of the impedance characteristics of the compliant joints, gait trajectory generation inspired by human walking and variable impedance control method.

双足步行从生物力学角度可分为基于主动控制的运动和基于被动行走的运动。主动控制的双足机器人可实现多种运动步态，但存在着能耗大、步态僵硬等问题。而被动行走机器人，其步行效率高、步态自然等，但实用性不高。如何结合两者的优点，实现自然、高效、多模式的机器人双足运动，是当前双足机器人研究的热点。柔性关节的应用为主被动控制之间提供了重要的桥梁，它使主动控制中引入自然动力学成为可能，并有效减小足地碰撞，提高步行的稳定性和效率。目前基于柔性关节的双足机器人研究中，机器人通常不具备对其关节阻抗的主动调节能力，而阻抗特别是阻尼的调节可以较好地补偿柔性环节对机器人跟踪精度、抑振能力等产生的负面影响。本课题将从阻抗特性可控的柔性关节出发，研究双足机器人动态步行方法，包括可变阻抗柔性关节的实现方法，柔性关节的阻抗特性辨识，基于人类启发的步态轨迹生成以及变阻抗控制等。

双足机器人一直是机器人领域的研究热点与难点，实现稳定、自然、高效的仿人步行也是双足机器人的重要研究目标之一，但是目前绝大多数双足机器人仍然存在着步行稳定性差、步态僵硬不自然、能量效率低等问题。研究基于人体稳定、自然、高效步行的内在机理的双足机器人的设计与控制，一方面有助于实现双足机器人的仿人步态，另一方面能够反过来促进研究人员对人体结构与步行机理的深入理解，还可以为肢体功能康复与外骨骼器具设计提供借鉴意义。. 为了研究含双支撑阶段动力学模型的运动特性，构建了基于含躯体、踝关节、膝关节、髋关节、平足结构的双足步行机器人模型，并对机器人动力学模型进行数值仿真和运动特性分析；基于单步法研究了双足机器人参量化结构参数对步行性能影响，揭示了模型参数对步行性能影响呈现的总体规律，为机器人结构设计提供理论支撑。. 为了实现双足机器人步行阶段的最佳缓冲效果，研制了一款可在线调节刚度的气动变刚度踝关节。基于单/双支撑相动力学模型和机器人足地碰撞特性，建立了双足机器人足地碰撞的细化模型；设计了含双支撑相特性的变刚度踝关节双足机器人步态，实现了基于ZMP稳定性判据，双足机器人步行稳定控制。. 建立了基于Hill三元素肌肉收缩动力学模型的人体肌肉骨骼仿真模型，并进行步行仿真，分析人体正常步行过程中跖趾关节的生物力学行为，并从关节机械功和步行稳定域两个角度研究了跖趾关节运动对人体步态的影响，从而为双足机器人的结构设计与步行控制提供了仿生参考依据。. 基于人体仿生设计原理，设计了一种具备气动人工肌肉驱动、主被动驱动结合的双足机器人；基于人体步行过程中的肌肉作用规律和关节运动规律，设计了一种基于有限状态机的落足点控制、反射控制、踝关节控制的双足机器人仿人动态步行控制策略，进行双足机器人的动态步行仿真，并在变速、变步长、上坡、下坡以及不平整地面等多种条件下，实验验证了机器人动态步行的稳定性。