骨骼-肌肉结构柔性关节仿生四足机器人高速奔跑神经机制与运动能量分布研究

The high speed legged locomotion pushes the limits and the most challenging problems of design and development of the mechanism, and the control and the perception method. Focusing on the disadvantage on the robot control, we proposed a bio-inspired control method for high speed running. The robot has a musculoskeletal structure and compliant joints. The neural mechanism of the muscle controlling, the properties of the muscles and the dynamics of the robot were deeply discussed and plenarily considered in our control algorism. The main scope of our research is to solve several questions on the control of multi-joints and the energy transfer. We hope the method could make a large improvement on locomotion ability, and the robot could run as fast, agile and efficiently as cheetah.

四足机器人的高速奔跑运动对仿生结构设计与运动控制提出了更高的要求与挑战，为了解决其在高速运动上所面临的诸多问题，针对现有四足机器人控制方法的不足，结合生物动力学研究与系统运动能量分布分析，本课题提出了一种仿生四足机器人高速奔跑控制方法，赋予四足机器人仿生的骨骼-肌肉结构与柔性关节，期望通过对神经系统、肌肉特性、能量传递和系统动力学等方面更深层次的仿生研究，解决拮抗式肌肉布置的柔性关节控制、多关节冗余驱动的协调控制、高速运动中的能量传递与重复利用和仿生神经调控机制控制方法与优化等问题、使机器人获得像猎豹一样的高速、高效、灵活的运动能力，并揭示足式机器人运动系统的能量分布与流动机理，为完善四足机器人基础理论研究，大幅提高动态性能奠定基础。

为使得四足机器人获得像猎豹一样的高速、高效、灵活的运动能力，本课题针对现有四足机器人控制方法的不足，结合生物动力学研究与系统运动能量分布分析，提出了一种仿生四足机器人高速奔跑控制方法，赋予四足机器人仿生的骨骼-肌肉结构与柔性关节。期望通过对神经系统、肌肉特性、能量传递和系统动力学等方面更深层次的仿生研究，完善四足机器人基础理论研究，为机器人大幅提高动态性能奠定基础。.本项目共培养博士研究生3名，硕士研究生4名，共发表5篇SCI检索论文。.首先构建了具有骨骼肌肉结构的仿生关节腿部模型，以期机器人获得优秀的运动性能。构建了腾空相运动控制方法：通过对拮抗式驱动关节动力学特性的分析，提出了腾空相摆动的组合控制方法，通过在运动过程中对关节刚度的调节，可实现腾空相腿部快速、准确的位置伺服控制。.本文模拟生物神经系统对肌肉的激励模式，提出了基于神经机制的着地相腿部运动控制方法。通过对关节肌肉的直接控制实现着地相腿部的支撑与发力过程，解决了着地相非线性强，传统动力学分析手段难以获得有效控制方法的问题。.同时本文从系统能量的注入、消耗、传递入手，构建了四足机器人动力学模型和能耗模型，分析机器人内部能量流动，以及分析影响机器人运动性能的关键因素。并基于适应性函数和粒子群智能算法，给出了一种机器人控制参数的寻优方法。.最终，构建了具有类似生物神经控制结构的类豹型四足机器人高速奔跑运动仿生控制系统，利用虚拟样机仿真技术验证了该方法的有效性。并以气动肌肉为驱动元件，搭建实验样机实现了摆腿与蹬地实验。并进一步采用阀控液压缸系统作为驱动器搭建单腿机器人实验平台，实验验证了系统具有了完成高速奔跑运动的能力，为后续进一步完善实验系统开发提供了宝贵的研究经验。