被动行走机器人髋部弹性的研究及其在动力行走中的应用

In our privious research, we found that the hip elastic can improve the disturbance rejection ability of a passive dynamic walker. These results push us to propse the research on using a nonlinear elastic at the hip of the passive dynamic walker to improve its disturbance rejection ability and on its inherent mechanism. We also propose a design of nonlinear elastic series elastic actuator, which is used at the hip of actuated bipedual walker, to improve the disturbance rejection ability. In this study, we also put forward a index of over all walking performace base on Gait Sensitive Norm. The step length and speed are both in consideration in the index to make it practical. The optimization of the elastic can be carried out by the index.Based on the proposed series elastic actuators design a actuated walking control algorithm, which is simple and efficiency.These research work helps not only to the disturbanc rejection ability research of biped robot, but also can promote the lower limb rehabilitation equipments, intelligent artificial limbs and exoskeletons.

前期研究发现，髋部弹性对被动行走机器人的抗干扰能力有很大的改善。本申请据此提出在被动行走机器人的上身与大腿间增加非线性弹性来改善被动行走机器人的抗干扰能力并研究其内在机理；设计一种具有非线性弹性的串联弹性作动器，应用于动力行走机器人的髋部来提高其抗干扰能力。研究方案中，提出以步态敏感范数为基础，考虑了步长和速度等因素，构建了便于实际操作的抗干扰综合性能指标，并以此对弹性系数进行优化。基于串联弹性作动器设计的动力行走控制方法简单高效。这些研究工作不仅有助于双足机器人抗干扰能力的研究，还能促进下肢康复设备、智能假肢及外骨骼等领域的发展，研究意义重大。

髋部弹性对被动行走机器人的抗干扰能力有很大的影响，不仅能够用来设计高效率的双足机器人步态，还可以用来提高行走的稳定性。本项目在被动行走机器人的上身与大腿间增加非线性弹性来改善被动行走机器人的抗干扰能力并研究其内在机理; 根据被动行走的原理设计了两种平地动力行走的控制策略；最后在平地动力行走的基础上施加OGY及其改进的控制策略，获得稳定且高效率的行走方案。同时设计了一种后端串联弹性作动器，应用于动力行走机器人的髋部弹性的物理实现。研究方案中，提出以步态敏感范数，步长约束，参数摄动和基于截面状态反馈的模型预测控制等概念和方法。本项目的研究表明采用串联弹性作动器设计的模型预测控制方法可以以非常小的代价获得高效和搞稳定的步态，不仅有助于开发实用的双足机器人，还能够作为理论基础，促进可穿戴柔性外骨骼技术的发展。