两足机器人足踝部机构和驱动系统设计文献综述

1. 文献综述（或调研报告）：
2. 国外研究现状：

随着步足机器人的理论研究以及相关技术的进一步发展，美国密歇根大学于2007年研制的MABEL机器人，利用某些腿部关节的柔顺性，提高了机器人在稳态操作响应干扰中的功率效率，该机器人已经可以在水平面上以1.1米/秒的速度行走，并且随着地面环境的变化，MABEL机器人有着一定的自适应性。^[5]

图3.1 MABEL 机器人

美国密歇根大学研发出来的欠驱动机器人Atrias 2.0，如图1所示，独特的四边形腿部机构可以使得机器人腿部重量减轻，大大提高了机器人腿部的反应灵敏度，进一步探索了合规在实现能量有效和敏捷运动中的作用，解决紧密集成硬件和软件的挑战，以便在行走或跑步时实现对未知地面高度变化的极端稳健性,目前该机器人可以进行快速行走的实验论证^[6]

图3.2 Atrias 2.0机器人

2011年西班牙牙E.Garcia 等人根据马的运动特点，研究设计了一条具有柔性关节的机械马腿，如图3.3所示，整个腿部关节具有三个自由度对应着髋关节、膝关节、踝关节。且足底弹性材料吸收振动，可以增大摩擦力。^[24]

图3.3 机械马腿

Yamguchi^[7]等人。开发了一种带有减震材料的双足机器人，使机器人更具坚固性，并为机器人提供动态行走模式。 通过这样做，他们开发了一种带有脚底机构的双足步行机器人，可计算每个行走周期的着陆点和绝对倾斜角度。 Yamada等人。 通过在机器人的脚部引入弹簧机构，可以吸收着陆腿和外力的冲击，从而实现灵活的自适应和稳定着陆在不平坦的地形上。

Ghorbani^[8]等人提出的不是控制关节角度曲线以减少需要大量能量的冲击，而是在机器人结构上安装弹性机构（具有可调整的刚度），使机器人能够减少冲击，并能够存储零件弹性形式的能量，并将其返回给机器人。提出了一种可调节刚度人工肌腱的概念设计，并将其添加到双足步行机器人模型的踝关节中。通过适当的肌腱刚度调节，双足步行机器人的能量学得到显着改善。

2009年N.G.Tsagarakis 等人设计了一种新型的柔顺驱动器^[9]。该驱动器使用三组弹簧圆周分布排列，在两个旋转运动之间加入弹性元件，不仅增加了关节的柔性，还增加了驱动器的集成度。如下图3.4，3.5所示。

Alexander Enoch等人研制了一款带有弹性髋、膝、踝关节的机器人，名字叫做BLUE^[10] ，BLUE 的可调刚度柔性关节（图3.6）采用了改变作用力位置的原理。这种柔性关节可以承受 30N·m 的扭矩，储存超过 3.5J能量，大范围调整刚度，极限刚度值基本使刚度为 0 或与材料刚度相同，甚至将关节运动锁定。

图3.6 可变刚度关节

1. 国内研究现状：

国内也有很多研究人员对于柔性关节的控制做出了许多研究。武汉大学的张强等^[11]人优化双足步行机器人行走过程中的能量消耗，研究结果表明：适当选择柔性关节的刚度可以有效地减小关节电机的输出转矩和能量消耗；柔性踝关节和膝关节分别存在1个最佳刚度，在此刚度下关节电机的能量消耗可以降到最小。

Tiger与机械马腿外形类似均是单条机械结构，但Tiger采用的力矩控制条件必须要让Tiger的机械结构能够进行力矩的控制，如下图3.7所示为Tiger的机械外形，从图上可以看出Tiger脚踝前后均有两个弹簧，脚踝部分采用的完全被动式的关节，依靠自身的重力冲击力产生脚踝的弹力，弹簧亦为力控制提供了可能。而在Tigger的髋部以及膝关节均采用的如图3.8的驱动方式，驱动电机在圆盘内部，为系统的输入，外圆盘为系统的输出，反馈系统检测出的是传动机构内外转动机构的转角差，而输出的转矩即为T=kRtheta;^[12]。

以上为几种具有代表性的新型柔性关节，它们成功使机器人的关节拥有了一定的柔性，然而用这种思路设计的柔顺驱动器^[10]始终无法摆脱系统的刚度是定值并由弹性元件的刚度决定的这个问题。因为人的关节不仅具有柔性，还具有刚度可变性。为了使设计的柔顺关节更加拟人化，研究者从结构上进行研究，陆续设计出一些刚度可变的机器人关节。

哈工大的孙欣然^[13]研制了一种带有可变刚度柔性关节的双足步行机器人样机，通过对柔性踝关节的可调刚度柔性关节进行了仿真分析；以杠杆机构中改变对应载荷的位置来实现变刚度的原理，如图3.9，将此套机构用于机器人踝关节处。并且对机器人进行了不同地面下的单步和连续步行实验，证明可调剂刚度柔性关节可以有效吸收地面冲击，使得机器人具有较好的地面适应能力。

图3.9 可调刚度机构

武汉科技大学的郭龙^[14] 以柔性关节为对象，以可变刚度为目标，对可变刚度柔性关节的结构、控制硬件电路进行了设计，并通过实验测试对所设计的可变刚度柔性关节进行了分析. 在分析了关节机构的原理上，对关节关键的弹性元件进行了分析设计并利用有限元分析对其强度进行了校核。

哈工大的宋嘉琪^[15]利用气动驱动的原理，运用气动元件来合理调节踝关节的刚度。利用装在机器人上足的传感器在触地时反馈的受力值，利用上位机来导通电磁阀调节出口气压，如图3.10所示，通过电磁阀的通断来实现变刚度功能。

图3.10 气动回路设计

柔性关节的驱动除了电动、气动方式，也有采取液压的方式。华中科技大学的唐华彬[16]为二自由度脚踝关节设计了液压的驱动系统，它时由两个并联的液压缸而成。每个液压缸由两个伺服阀驱动。整个系统的模型图如图3.11所示。

图3.11 并联液压伺服模块示意图

我国的机器人技术研究和样机研发都获得了蓬勃的发展^[17]，柔性关节在机器人踝关节处的应用有很多，控制算法也各不相同，关节处具有一定的柔性能更好的加强机器人对地面的适应性。

1. 方案（设计方案、或研究方案、研制方案）论证：
2. 机构设计方案：

机器人关节处的柔性也是整个设计问题的关键。国内外对于柔性关节的设计各不相同，不同的原理致使关节所能达到的运动形式与相应快慢也不一致。在设计过程中采用怎样的基本原理，如何去变换关节的运动形式都是设计中的关键问题。同时还要保证整个机器人的重量以及高度在所设计范围之内，下文就两足机器人足踝部分横滚自由度的结构设计进行介绍。

整个机器人的整体机构设计简图如图2.2所示，驱动电机选择响应较好的MAXON电机，传动方式选择使用滚珠丝杠螺母加配套MGN7导轨机构，将整套机构通过固定板整体安装在机器人小腿的内侧，合理的布置了机器人机构的空间，且在装配过程中简单易行。通过丝杠螺母的往复运动带动丝杠滑台上下移动，在丝杠滑台的上下部分分别采用钢丝绳连接着机器人脚踝连接件的左右部分，在钢丝绳之间采用弹簧于套索，增加了整个关节的柔性，且由于增加了弹簧与套索，对于关节处可以将对应的位移转化为力，方便对于整个关节处做力矩控制。

图4.1 机构简图

1. 通过电机控制丝杠螺母的正转以及反转，通过弹簧连接套索来实现脚踝部分连接件的左右摆动，改良及优化现有零件来减少丝杠承受的弯矩。
2. 选用承载能力更大的导轨MG7以及配套滑块，使得丝杠所承受的弯矩加载在承载相对更强的导轨之上，并且增加导轨与丝杠之间的平行度。
3. 加强机械配合的方式来提高丝杠与导轨之间的安装精度，改进新的连接件的方式来增加整个机构的承载能力。
4. 在防止内部机构空间产生干涉的前提下，通过增加导轮以更换对应支架的位置，使得整个装置运动时所受的阻力减小。
5. 在改进前后对比整套机械系统在运动时对于信号的响应，来确定系统改进的有效性。
6. 整套机构要求加工精度较高，装配精度较高。同原有机构相比，在完成整套机构之后可以降低装配难度，且机构机械配合增多，机构的柔顺性更好，最终使得整个横滚自由度可以与机器人其他自由度相配合来共同协作完成步态规划。
7. 机械动力学研究与位置控制算法仿真：

主要对整个足踝处横滚自由度进行位置控制的理论模型搭建，对机构进行动力学仿真分析。

1. 基于牛顿第二定律，通过合理地简化弹簧-套索模型来获得整个传动系统的物理模型，在简化系统内部环节时应考虑到每个环节对于系统内部响应的影响，最后找出系统的开环传递函数。
2. 横滚自由度系统为闭环控制系统，控制器采集输入的误差信号，将控制信号送给控制器来驱动对应的关节电机。在对整个关节电机进行位置控制时仅需要反馈对应的角度。整个系统的控制框图如下图所示。于MATLAB中运用Simulink模块对于控制系统进行理论分析。

图4.2 控制系统框图

1. 在运用整个Simulink模块进行仿真分析时，需要考虑到不能过分追求超调，整个脚踝关节的运动理论角度为15°，允许运动的最大范围不能超过实际的运动的最大范围，超过最大范围会使得整个关节运动时与俯仰轴之间产生干涉。同时还要对电机所能产生的最大扭矩进行限制，要考虑电机再实际运行效果中能够产生的最大扭矩。
2. 在对系统内部参数进行限定之后，通过合理的设置仿真参数，通过调节PID参数来使得整个系统的各项参数在要求的范围之内，包括系统的上升时间、调整时间、超调量等有关控制系统相应的参数。
3. 通过仿真可以得到横滚关节对应的转角图以及对应的电机转矩图，通过理论曲线初步对整个控制系统进行简要分析，并通过Simulink将控制算法转换为可编辑的C代码进行实验测试分析。
4. 实验测试环节：

读取脚处的姿态传感器来调节整个脚处于相对水平的0度角。通过脚踝关节处的姿态传感器来闭环反馈增量角度，将系统中的模型转化为实际的机械系统进行控制，运用STM32来控制整套控制系统，通过对仿真后的PID参数进行合理的调整使得整个系统响应更好。通过实验于仿真模型的对比来找寻更合理的参数，使得整个控制系统趋于快速稳定。

1. 通过实验中调节PID参数来使得控制系统的各项参数在控制目标范围内，通过串口来给定控制系统运动的期望值。
2. 在得到系统实际的运动曲线之后，通过与理论控制算法模型的对比，合理对系统物理模型进行更改，对控制算法进行优化，使得整套系统的控制效果更加良好。

1. 进度安排：

参考文献：

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