對于機(jī)器人來說，適應(yīng)復(fù)雜地形不僅要求關(guān)節(jié)的運(yùn)動范圍足夠大，而且要求在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下具有優(yōu)異的著陸性能。在自然界中，許多生物在高空墜落時，通過實(shí)時控制身體姿勢和肌肉力量來獲得穩(wěn)定的著陸緩沖能力。迄今為止，跳躍機(jī)器人的最佳緩沖性能是通過在腿部添加彈簧來實(shí)現(xiàn)的，很少通過足踝，然而，人類足踝可以通過控制關(guān)節(jié)姿勢和肌肉激活程度來實(shí)現(xiàn)明顯的陸地緩沖作用。

吉林大學(xué)任露泉院士團(tuán)隊(duì)，任雷教授、王坤陽副教授課題組受人類腳踝周圍肌肉主動肌和拮抗肌相互作用原理啟發(fā)，基于仿生串并聯(lián)彈性驅(qū)動器設(shè)計(jì)了機(jī)器人多軸踝關(guān)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了類似人體的跖/背屈和內(nèi)/外翻運(yùn)動，各方向的運(yùn)動范圍可達(dá)30度，同時在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中最高可降低52.2%的沖擊力。此外，該驅(qū)動下的仿生踝關(guān)節(jié)還具有變剛度和自感知路面傾斜度的性能。該研究以題為“A Multiaxial Bionic Ankle Based on Series Elastic Actuation with a Parallel Spring”的論文發(fā)表在《IEEE Transactions on Industrial Electronics》期刊。

仿生踝關(guān)節(jié)的機(jī)械結(jié)構(gòu)

在人類踝關(guān)節(jié)中，脛骨前肌和腓腸肌/比目魚肌是背屈/跖屈的一對拮抗肌，而拇長屈肌和指長伸肌是內(nèi)翻/外翻的一對拮抗肌。作者受拮抗肌肉相互作用原理啟發(fā)，將串聯(lián)彈性驅(qū)動器SEA作為主動肌肉，并聯(lián)彈性元件PS作為被動的拮抗肌肉，設(shè)計(jì)了由SEA和PS組成的仿生串并聯(lián)彈性驅(qū)動器SEAPS。本研究將四對主動和被動肌肉組成四個SEAPSs，在小腿處放置四個SEAs以實(shí)現(xiàn)2自由度的踝關(guān)節(jié)運(yùn)動，將PS固定在踝關(guān)節(jié)周圍以吸收沖擊和保持姿態(tài)穩(wěn)定。 ?

圖1?基于SEAPSs的仿生踝關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)原理

【仿生踝關(guān)節(jié)的軌跡跟蹤及變剛度特性】

本研究采用由逆動力學(xué)前饋控制器、PD反饋控制器、電機(jī)側(cè)動力學(xué)模型、負(fù)載側(cè)動力學(xué)模型和抗干擾觀測器（DOB）組成的阻抗控制器控制踝關(guān)節(jié)運(yùn)動。作者使用Vicon動作捕捉系統(tǒng)采集了仿生踝關(guān)節(jié)的實(shí)際運(yùn)動角度，結(jié)果表明，阻抗控制下仿生踝關(guān)節(jié)跖屈和背屈的最大跟蹤誤差為0.7%，內(nèi)翻和外翻的最大跟蹤誤差為1.0%，空間三維運(yùn)動最大跟蹤誤差為2.3%，且能夠?qū)崿F(xiàn)與人體踝關(guān)節(jié)高度類似的三維運(yùn)動（相對均方根誤差小于0.5%）。

作者采用拉伸試驗(yàn)機(jī)對仿生踝關(guān)節(jié)在不同載荷條件下的關(guān)節(jié)剛度進(jìn)行了測試，當(dāng)角度發(fā)生變化時，實(shí)現(xiàn)了非線性的關(guān)節(jié)剛度，表明該踝關(guān)節(jié)能夠使機(jī)器人在不同路況下行走時保持平衡。

圖2?仿生踝關(guān)節(jié)運(yùn)動跟蹤及變剛度特性

【仿生踝關(guān)節(jié)的著陸緩沖能力】

無論是人類還是其他兩足動物，從高處著陸都會帶來巨大的沖擊，作者進(jìn)行了一系列的沖擊實(shí)驗(yàn)來研究仿生踝關(guān)節(jié)在不同姿勢下的陸地緩沖性能。該足踝被放置在離地面40厘米的高處，通過線性導(dǎo)軌垂直掉落到一個22度傾斜的平臺上，利用動力學(xué)模型計(jì)算了各沖擊狀態(tài)下踝關(guān)節(jié)力矩的變化，結(jié)合落地過程中測量得到的垂直地面反作用力，分析了仿生踝關(guān)節(jié)的緩沖效果。

為了驗(yàn)證彈性元件PSs對緩沖性能的影響，我們將無彈簧（無限剛度）定義為參考組，與無彈簧相比，仿生踝關(guān)節(jié)在配置彈簧剛度為0.5、1、1.5和2 N/mm的并聯(lián)彈簧時，峰值垂直地反力分別降低了11.8%、28.4%、52.2%和46.0%，峰值踝關(guān)節(jié)扭矩分別降低26.4%、43.1%、57.9%和48.6%。

此外，作者還分析了背屈和外翻姿態(tài)下的著陸緩沖性能，結(jié)果表明，隨著彈簧剛度的增大，仿生踝關(guān)節(jié)的緩沖效果先增大后減小，如果彈性元件剛度過大，從關(guān)節(jié)角度的變化可以看出，足踝在與地面接觸時不能很好地變形，因此，當(dāng)彈簧剛度大于臨界值時，緩沖效果下降。

圖3?彈簧剛度對跖屈姿態(tài)沖擊下踝關(guān)節(jié)角度、地面反力和關(guān)節(jié)扭矩的影響 ?

結(jié)語：受人類腳踝周圍肌肉主動肌和拮抗肌相互作用啟發(fā)，作者創(chuàng)新性提出了一種具有優(yōu)異著陸緩沖性能的仿生多自由度踝關(guān)節(jié)，該關(guān)節(jié)由四個仿生串并聯(lián)彈性驅(qū)動器進(jìn)行驅(qū)動，通過足部緩沖的方式降低機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下的沖擊力，并且在矢狀面和冠狀面均實(shí)現(xiàn)了大范圍的運(yùn)動，再現(xiàn)了人類踝關(guān)節(jié)的真實(shí)運(yùn)動軌跡，其關(guān)節(jié)剛度能夠適應(yīng)各種載荷條件。

審核編輯：劉清