基于变胞机构的多构态弹性驱动仿生跑跳关节的设计理论与试验研究

The research of bioinspired joints for running and jumping has great significance to improve the movement flexibility and environmental adaptability of legged robots, exoskeleton robots, and prostheses, as well as to expand their application areas. In order to deal with the key technical problems of the low output power of actuator, the low energy efficiency, and the poor collision safety and stability in the design of traditional bioinspired joints, the new innovative design idea of bioinspired joints with multi-configuration elastic actuators for running and jumping based on metamorphic mechanism is originally proposed. By means of the combination of theoretical analysis and experimental study, and through the study of a series of key technologies, including the bionic principle and design method of elastic actuators, the analysis of body movement characteristics and stability principle, the configuration analysis-synthesis and optimization design theory of metamorphic mechanisms, the design and control methods of multi-configuration elastic actuators, etc., the design theory of constructing the high-performance bioinspired joint for running and jumping by using of the theories of metamorphic mechanisms and the techniques of elastic actuators will be explored. The proposed joint will realize the self-adaption control of the instantaneous trajectory and the joint stiffness under different motion gaits, and reach the goal of the joint output power regulation, the high-energy efficiency, and the collision safety and stability, which will provide the basic theory and key technology for the future research on legged robots, exoskeleton robots and prostheses.

仿生跑跳关节的研究在提高足类机器人、外骨骼机器人和人工假肢的运动灵活性和环境适应性方面以及拓展其应用领域方面具有非常重要的意义。为解决传统仿生关节设计中存在的驱动器输出功率小、能量效率低和碰撞安全稳定性差的技术难题，原创性地提出基于变胞机构的多构态弹性驱动仿生跑跳关节的设计思想。采用理论分析与试验研究相结合的方法，通过对弹性驱动器的仿生机理与设计方法、人体跑跳运动特性及稳定性机理分析、变胞机构的构态分析综合及优化设计理论、多构态弹性驱动器的设计与控制方法等一系列关键技术的研究，探索利用变胞机构理论和弹性驱动器技术构建高性能仿生跑跳关节的设计理论，实现仿生跑跳关节在不同步态环境下关节运动瞬心轨迹和刚度的自适应调节，达到关节输出功率的调节、能量的高效利用和碰撞安全稳定性落地，为未来足式负重跑跳机器人、外骨骼机器人和人工假肢的研究提供理论基础和关键技术支持。

跳跃运动步态和驱动的研究对提高足类机器人、跳跃机器人、外骨骼机器人的运动灵活性和环境适应性方面具有非常重要的意义。针对当前仿生跑跳关节在理论和面向实际应用方面存在驱动器输出功率小，能量效率低及碰撞安全性差三大技术难题，本项目的研究内容和重要结果数据包含以下六个方面。.（1）基于Hill肌肉三元素力学模型，提出了生物肌肉模型和仿生弹性驱动器的对应关系，分析了不同弹性单元参数变化对其最大输出特性、能量调节、碰撞稳定性控制等方面的影响；提出了驱动器的应用选型及设计方法。.（2）本项目综合多种构态弹性驱动的优劣，提出了具有功率调制、能量再利用、抗冲击特性的新型冗余弹性驱动器（REA），基于运动模型开展了其运动机理及能量流为主的能量传递特征分析，在此基础上开展了动力学模型的分析和试验验证。.（3）以蝗虫的跳跃运动为研究对象，利用齿轮-杆机构丰富的力和运动变化特性，优化设计了基于变胞机构的仿蝗虫飞行跳跃机器人机构，研究蝗虫的跳跃性能和运动稳定性的影响因素。.（4）研究人体的运动关节特性和步态识别算法。针对不同步幅步频的关节运动采用多传感器数据融合方法开展实验研究，通过特性分析揭示不同步频步幅跑跳运动对关节运动轨迹的影响。.（5）多构态冗余弹性驱动的单足跳跃机器人的设计与试验研究。提出步态控制策略进行跳跃性能实验，通过实验分析不同驱动模式下跳跃机器人的跳跃性能，分析了REA弹性驱动器的功率调制特性，证明REA在仿生跑跳关节上的优异性能。.（6）基于绳索弹性驱动与棘轮棘爪原理设计了可穿戴踝关节，关节处变胞双向锁死机构实现踝关节任意角度安全的锁死。基于步态识别实验，配合绳索弹性驱动完成辅助动力测试实验。.项目研究成果为未来足式机器人、跑跳机器人和外骨骼机器人的研究提供理论基础支持，为促进高性能关节机器人实用化的研究提供关键技术参考。