仿生肌肉-骨骼结构机械腿变刚度调控机理与控制研究

The walking robot which has musculoskeletal mechanical leg has big advantages in motion flexibility, compliance and energy consumption efficiency. Because the musculoskeletal mechanical leg has redundant actuation and degree of freedom, resulting in high dynamics analytic dimensions, complex coupling relationship between dynamic regulation and normal movement, and large amount of decoupling computation. The present control method can not realize its adaptive adjustment under disturbance. Considering that the terrestrial mammals can adapt to various disturbances while maintain high speed stable movement by means of active adjusting its leg stiffness. This project will refer to the variable stiffness feature of human’s leg, analyze the stiffness regulation law of multi-joints coordination, dig the regulation mechanism of variable stiffness driven by multi-muscles; refine and abstract the coordination regulated mode of redundancy skeletal muscles, state the mechanism of dynamic response to various disturbances for “muscle synergies”; study on behavior transfer problem of heterogeneous dynamics models, achieve stiffness adjustment of mechanical leg imitating human’s leg control, so as to establish the variable stiffness control method for mechanical leg. It is respected to solve the adaptive motion control problem of musculoskeletal mechanical leg, improve its adaptive capacity with the changing conditions of ground stiffness, slope, velocity and load, and provide important theoretical and biological basis for the motion control method of bionic mechanical leg .

拥有肌肉-骨骼结构机械腿的仿生行走机器人在运动灵活性、柔顺性和能耗效率等方面更具优势。由于仿生肌肉-骨骼结构机械腿具有冗余驱动和运动自由度，导致其动力学解析维度高、动态调节与正常运动耦合关系复杂、解耦运算量大，现有控制方法不能实现其在扰动下的快速自适应调节。鉴于陆地哺乳动物能通过主动调节腿部刚度，适应各种扰动并保持高速稳定运动，本项目拟根据人腿变刚度特性，分析多关节协同变刚度调节规律，深入挖掘多肌肉驱动变刚度调控机理；提炼、抽象冗余骨骼肌的协同调控模式，阐明“肌肉协同模式”对各类扰动的动态响应机制；研究异构动力学模型间的行为迁移问题，实现仿人腿调控的机械腿主动刚度调节，从而建立机械腿变刚度控制方法。以期解决仿生肌肉-骨骼结构机械腿的自适应运动控制问题，提高其在地面刚度、坡度、运动速度和负载等条件变化下的自适应调节能力，为仿生机械腿的运动控制方法建立提供重要的生物学依据和理论基础。

足式机器人在高速运动中对内外在扰动的适应性远远落后于人类。人能够通过肢体的各关节协同变化，动态调整腿部刚度，适应运动速度、高度、负载等变化，并保持高速运动。腿部依靠这种主动刚度调控不仅能够降低冲击载荷，还能够减少运动能耗并防止足部与地面接触产生的震颤。生物学研究表明，人通过动态调控多肌肉驱动的组合形式和爆发时序，实现肢体多关节的协调运动；利用多肌肉牵拉调节腿部各关节协同变化，改变机构整体刚度，快速响应内外部力学变化。若能阐明动物肌肉协同模式的变刚度调控机制，则能解决具有冗余运动自由度的仿生机械腿变刚度控制问题。.因此，本研究以人腿部变刚度特性为依据，提取“肌肉协同模式”，揭示腿部关节协同变刚度调控机理，由此建立仿生机械腿主动刚度控制方法。具体包括：.（1）腿部关节协同变刚度调节规律.在变速跳跃过程中，腿部整体刚度的变化与踝关节、膝关节的刚度变化规律相似。跳跃速度增加时，腿部整体刚度、膝关节、踝关节刚度均增加。腿部整体刚度变化主要由膝关节和踝关节刚度变化决定。.（2）腿部肌肉协同控制规律.本项目实验中提取胫骨前肌，腓肠肌，比目鱼肌，股内侧肌，股直肌，股二头肌，臀大肌7条肌肉肌电信号，研究表明以上肌肉以4种爆发形式协同，改变腿部整体刚度以适应运动速度、跳跃高度的改变。肌肉协同单元数目为4时，变速跳跃中平均重建精度VAF值为95%，变高度跳跃中平均重建精度VAF值为96%。.（3）仿生机械腿变刚度控制方法.依据人多关节协同变刚度控制策略建立仿生机械腿变刚度控制方法。机器人着地压缩阶段，保持膝踝关节的角速度方向相反，在压缩最低点处，膝踝关节的角速度同时减速到零；在伸展阶段，膝踝关节开始反向加速直到离地。髋关节采用模糊增强学习调整质心水平位置保证机器人稳定性。.研究成果可作为仿生机械腿高速运动下自适应控制的依据，同时也为其它关键部件的自适应控制方法建立提供参考依据。.