【摘 要】
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随着关节类机器人研究的深入和应用的普及,更强大的运动性能和更广泛的环境适用性已成为未来发展趋势。驱动器作为机器人运动系统的核心,决定了机器人的运动精确性、空间机动性、目标承载性和动态交互性。然而,在使用驱动元件驱动腿型、跳跃型和外骨骼型等关节类机器人时,往往面临着功率峰值大、输出变化频繁、系统碰撞冲击强等问题,增加了相关能源消耗成本的同时,也降低了机器人系统的整体稳定性,对关节类机器人驱动系统的设
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随着关节类机器人研究的深入和应用的普及,更强大的运动性能和更广泛的环境适用性已成为未来发展趋势。驱动器作为机器人运动系统的核心,决定了机器人的运动精确性、空间机动性、目标承载性和动态交互性。然而,在使用驱动元件驱动腿型、跳跃型和外骨骼型等关节类机器人时,往往面临着功率峰值大、输出变化频繁、系统碰撞冲击强等问题,增加了相关能源消耗成本的同时,也降低了机器人系统的整体稳定性,对关节类机器人驱动系统的设计提出了更高标准的要求。为更好地适配关节类机器人,本论文基于仿生关节提出了将弹性驱动和变胞机构进行融合优化,以提高机器人的运动性能和能量利用率为目标,研究设计了一款具有功率调制、碰撞缓冲特性的多构态仿生弹性关节驱动器。主要取得了以下几个方面的研究成果。（1）在仿生弹性驱动器的结构设计上,基于生物肌肉骨骼系统,提出了“弹簧元件-变胞机构”的多构态仿生弹性系统,完成了关节驱动原理样机的设计与制作,并围绕能量传递特性开展了机构原理、运动学与动力学的理论研究。（2）在仿生弹性驱动器的控制方法上,应用PID算法与PWM信号实现了对电机和舵机的精准控制,达成了对电机动能和弹性势能的分配与调制。在驱动性能实验中模拟生物关节的周期性运动,验证了控制方法与策略的可行与有效。（3）以关节类机器人的实际应用为背景,设计了基于仿生弹性驱动器的单足跳跃机器人,借助驱动器自身的多构态冗余特性,给出了不同的驱动方案与控制方法,并在弹跳步态中分析论证了各构态驱动效果的差异与优劣。（4）以单足跳跃机器人的跳跃性能为研究目标,使用高速摄像采集系统进行了跳跃实验研究,研究验证了多种跳跃方案的可行性,对比不同驱动方案的跳跃高度实验结果,论证了多构态仿生弹性驱动器在短时高爆发功率输出上的优势。本文研究过程中以变刚度、变减速比、冗余驱动的方式为机器人关节驱动提供了一种全新的解决思路,多构态仿生弹性驱动关节在实验中展现出了对动态能量的再分配,并在功率调制、能量调节和与碰撞缓冲方面表现显著,可以为未来高性能驱动研究提供理论基础和技术参考。
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