基于串并联弹性驱动器的仿生多轴踝关节开发

对于机器人来说，适应复杂地形不仅要求关节的运动范围足够大，而且要求在非结构化环境下具有优异的着陆性能。在自然界中，许多生物在高空坠落时，通过实时控制身体姿势和肌肉力量来获得稳定的着陆缓冲能力。迄今为止，跳跃机器人的最佳缓冲性能是通过在腿部添加弹簧来实现的，很少通过足踝，然而，人类足踝可以通过控制关节姿势和肌肉激活程度来实现明显的陆地缓冲作用。

吉林大学任露泉院士团队，任雷教授、王坤阳副教授课题组受人类脚踝周围肌肉主动肌和拮抗肌相互作用原理启发，基于仿生串并联弹性驱动器设计了机器人多轴踝关节，实现了类似人体的跖/背屈和内/外翻运动，各方向的运动范围可达30度，同时在非结构化环境中最高可降低52.2%的冲击力。此外，该驱动下的仿生踝关节还具有变刚度和自感知路面倾斜度的性能。该研究以题为“A Multiaxial Bionic Ankle Based on Series Elastic Actuation with a Parallel Spring”的论文发表在《IEEE Transactions on Industrial Electronics》期刊。

仿生踝关节的机械结构

在人类踝关节中，胫骨前肌和腓肠肌/比目鱼肌是背屈/跖屈的一对拮抗肌，而拇长屈肌和指长伸肌是内翻/外翻的一对拮抗肌。作者受拮抗肌肉相互作用原理启发，将串联弹性驱动器SEA作为主动肌肉，并联弹性元件PS作为被动的拮抗肌肉，设计了由SEA和PS组成的仿生串并联弹性驱动器SEAPS。本研究将四对主动和被动肌肉组成四个SEAPSs，在小腿处放置四个SEAs以实现2自由度的踝关节运动，将PS固定在踝关节周围以吸收冲击和保持姿态稳定。  

图1 基于SEAPSs的仿生踝关节设计原理

【仿生踝关节的轨迹跟踪及变刚度特性】

本研究采用由逆动力学前馈控制器、PD反馈控制器、电机侧动力学模型、负载侧动力学模型和抗干扰观测器（DOB）组成的阻抗控制器控制踝关节运动。作者使用Vicon动作捕捉系统采集了仿生踝关节的实际运动角度，结果表明，阻抗控制下仿生踝关节跖屈和背屈的最大跟踪误差为0.7%，内翻和外翻的最大跟踪误差为1.0%，空间三维运动最大跟踪误差为2.3%，且能够实现与人体踝关节高度类似的三维运动（相对均方根误差小于0.5%）。

作者采用拉伸试验机对仿生踝关节在不同载荷条件下的关节刚度进行了测试，当角度发生变化时，实现了非线性的关节刚度，表明该踝关节能够使机器人在不同路况下行走时保持平衡。

图2 仿生踝关节运动跟踪及变刚度特性

【仿生踝关节的着陆缓冲能力】

无论是人类还是其他两足动物，从高处着陆都会带来巨大的冲击，作者进行了一系列的冲击实验来研究仿生踝关节在不同姿势下的陆地缓冲性能。该足踝被放置在离地面40厘米的高处，通过线性导轨垂直掉落到一个22度倾斜的平台上，利用动力学模型计算了各冲击状态下踝关节力矩的变化，结合落地过程中测量得到的垂直地面反作用力，分析了仿生踝关节的缓冲效果。

为了验证弹性元件PSs对缓冲性能的影响，我们将无弹簧（无限刚度）定义为参考组，与无弹簧相比，仿生踝关节在配置弹簧刚度为0.5、1、1.5和2 N/mm的并联弹簧时，峰值垂直地反力分别降低了11.8%、28.4%、52.2%和46.0%，峰值踝关节扭矩分别降低26.4%、43.1%、57.9%和48.6%。

此外，作者还分析了背屈和外翻姿态下的着陆缓冲性能，结果表明，随着弹簧刚度的增大，仿生踝关节的缓冲效果先增大后减小，如果弹性元件刚度过大，从关节角度的变化可以看出，足踝在与地面接触时不能很好地变形，因此，当弹簧刚度大于临界值时，缓冲效果下降。

图3 弹簧刚度对跖屈姿态冲击下踝关节角度、地面反力和关节扭矩的影响  

结语：受人类脚踝周围肌肉主动肌和拮抗肌相互作用启发，作者创新性提出了一种具有优异着陆缓冲性能的仿生多自由度踝关节，该关节由四个仿生串并联弹性驱动器进行驱动，通过足部缓冲的方式降低机器人在非结构化环境下的冲击力，并且在矢状面和冠状面均实现了大范围的运动，再现了人类踝关节的真实运动轨迹，其关节刚度能够适应各种载荷条件。

审核编辑：刘清