【摘 要】
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足式机器人可利用离散的地面支撑实现非接触式障碍规避与障碍跨越,具备极强的环境适应性与运动灵活性,在灾害救援、军事侦察等国民经济和国防建设领域有着广阔的应用前景。仿生柔性关节作为足式机器人运动的直接载体,协同驱动机器人完成各种复杂仿生行为以充分发挥其效能,直接影响机器人的整体性能。但是现有仿生柔性关节受限于结构与控制瓶颈,普遍存在关节柔性欠佳的突出问题,以致机器人抵御外部环境刚性冲击与扰动能力亟待提
【基金项目】
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国家自然科学基金（61803142）； 河北省自然科学基金（F2018202210）； 河北省高等学校科学技术研究项目（QN2017047）；
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足式机器人可利用离散的地面支撑实现非接触式障碍规避与障碍跨越,具备极强的环境适应性与运动灵活性,在灾害救援、军事侦察等国民经济和国防建设领域有着广阔的应用前景。仿生柔性关节作为足式机器人运动的直接载体,协同驱动机器人完成各种复杂仿生行为以充分发挥其效能,直接影响机器人的整体性能。但是现有仿生柔性关节受限于结构与控制瓶颈,普遍存在关节柔性欠佳的突出问题,以致机器人抵御外部环境刚性冲击与扰动能力亟待提升。针对上述问题,本文借鉴生物关节柔性生成机理,创新基于凸轮机构,设计了一种新型变刚度仿生柔性关节,提出了一种主/被动相融合的关节柔性控制方法,初步实现了关节动态运动过程中的仿生柔性。本文的主要创新性工作如下:1、研究和借鉴生物关节柔性生成机理与生理结构特征,创新基于凸轮机构,设计了一种新型变刚度仿生柔性关节,从实现仿生柔性的功能角度出发,将关节结构系统划分为关节驱动系统、刚度调节系统和输出反馈系统,并完成了关节各系统详细结构设计。2、基于空间凸轮机构受力分析,构建了仿生柔性关节刚度模型,基于关节刚度模型参数提取分析,针对影响关节刚度特性的主要结构参数和力学参数开展了优化,并通过仿真实验验证了刚度模型参数对关节刚度的影响,得到了关节的固有刚度特性和动态刚度特性。3、针对关节运动控制问题,开展了关节的主/被动柔性控制方法研究,考虑仿生柔性关节的实际应用对象,得到了关节目标轨迹和目标输出刚度的变化规律,通过划分步态周期,制定了关节轨迹控制策略和刚度控制策略,基于关节系统的线性化转换以及步态周期不同运动相内定刚度轨迹控制的控制思想,提出了一种主/被动相融合的关节柔性控制方法,并完成了控制系统软硬件的搭建。4、搭建了仿生柔性关节样机测试实验平台,针对关节刚度特性开展了关节刚度性能实验,验证了关节样机结构设计的可行性以及变刚度机构刚度特性分析的准确性,针对关节运动控制性能开展了关节轨迹刚度联控性能实验,验证了关节柔性控制方法的有效性。
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