仿生骨骼肌肉跳跃机器人的高能效驱动与控制

Jumping robots have widely potential application due to good motion stability and load carrying capacity. However, the current legged robots have poor capability of hyper dynamic jumping so that it is difficult for them to negotiate barrier or arrive at the locations with the length of several times of the robots’ height. These leads to their poor locomotion and environmental adaptability comparing with the animals. The main reason is that they have not the energy accumulation and release mechanism similar to the musculoskeletal system and to coordinate whole body energy to generate explosive motion..In this project, in order to solve the above-mentioned problem of low energy efficiency and poor adaptability to the environment of the legged robots, we exploit the motion principles and models for the animal’s hyper jumping, investigate the bionic mechanism design for jumping robot inspired by the principles of the animal motion, and study the motion planning approach to generate hyper dynamic jumping by the whole-body coordination. The fundamental innovation of the project lies in the whole chain from the motion principles, mechanism model, driving mode to the matched control method. It is expected to propose a systemic theory of the mechanism design and control theory of hyper dynamic motion for jumping robots and accordingly to enhance the locomotion capability and adaptability to the complex environments.

跳跃运动的敏捷性与爆发性有助于机器人扩大运动范围、增强环境适应能力。目前机器人领域的相关研究主要通过采用大功率驱动系统和高弹性系数机构来实现跳跃。然而这些机器人的能量利用效率过低，究其原因，主要是其不具备动物骨骼肌肉系统协同运动的生物力学机理，机器人难以实现肌肉蜷曲和伸展带来的能量聚集与瞬时释放机制，同时难以利用不同关节的协同运动实现整体能量耦合传递产生爆发性的跳跃运动。. 本项目针对目前机器人实现跳跃运动能效过低的问题，研究动物骨骼肌肉系统的跳跃运动机理；借鉴动物跳跃的生物力学机制，研究仿生骨骼肌肉机器人的机构驱动一体化设计；研究高能效跳跃的能量耦合控制方法，从运动机理、结构模型、驱动形式和与之匹配的运动控制方法结合进行理论探索，建立一套高能效仿生骨骼肌肉跳跃机器人的机构设计理论与控制方法，以提高机器人的运动能力和复杂环境的适应能力。

跳跃运动的敏捷性与爆发性有助于机器人扩大运动范围、增强环境适应能力。目前机器人领域的相关研究主要通过采用大功率驱动系统和高弹性系数机构来实现跳跃。然而这些机器人的能量利用效率过低，究其原因，主要是其不具备动物骨骼肌肉系统协同运动的生物力学机理，机器人难以实现肌肉蜷曲和伸展带来的能量聚集与瞬时释放机制，同时难以利用不同关节的协同运动实现整体能量耦合传递产生爆发性的跳跃运动。.本项目主要研究内容包括研究猫的骨骼肌肉构成及其跳跃运动的生物力学特性，揭示猫高能效跳跃运动的本质；改变传统的腿足机器人刚性机构设计，研究基于骨骼肌肉仿生的跳跃机器人高能效运动机构驱动一体化设计；研究具有一体化仿生机构驱动的跳跃机器人关节间干涉配合和能量耦合控制，通过时序机制进行运动规划，实现高能效跳跃；通过接近真实猫腿尺寸的运动模型对所研究的力学模型、仿生机构及规划控制方法进行演示验证。.本项目的研究成果是从运动机理、结构模型、驱动形式和与之匹配的运动控制方法结合进行理论探索，建立一套具有高能效跳跃运动能力的仿生骨骼肌肉跳跃机器人驱动与控制方法，研制具有仿生骨骼肌肉驱动特性的原理样机，实现了高能效的跳跃，推高了腿足式机器人的空间到达和环境适应能力。