含有跖趾关节的气动肌肉驱动双足机器人研究

发布时间：2020-10-13 18:47

　　 双足机器人一直是机器人领域的研究热点与难点,实现稳定、自然、高效的仿人步行也是双足机器人的重要研究目标之一,但是目前绝大多数双足机器人仍然存在着步行稳定性差、步态僵硬不自然、能量效率低等问题。人类经过长期的自然进化成为直立行走的高级动物,借助自身的神经-肌肉-骨骼系统的协调作用机制,能够在多种复杂的环境中实现稳定、自然、高效的步行。由于双足机器人和人体具有一定的相似性,理解人体稳定、自然、高效步行的内在机理并将其融入到双足机器人的设计与控制当中,一方面有助于实现双足机器人的仿人步态,另一方面能够反过来促进研究人员对人体结构与步行机理的深入理解,还可以为肢体功能康复与外骨骼器具设计提供借鉴意义。本文以实现双足机器人的仿人动态步行为目标,以人体步行时的生物力学特性为基础,对人体步行机理、双足机器人仿生结构设计、双足机器人仿人动态步行控制、双足机器人动态步行实验等进行深入研究。基于人体生物力学特性分析人体稳定、自然、高效步行的内在机理。利用OpenSim软件建立人体肌肉骨骼模型,实现含有跖趾关节运动的人体模型的步行运动仿真,获取人体各种典型的生物力学特性。以此为基础分析下肢肌肉在步行过程中的作用规律,结果表明人体步行时的支撑力和推进力/制动力,以及下肢各关节的机械功主要由腰大肌、臀大肌、股内侧肌、比目鱼肌和腓肠肌五个肌肉群提供,而股二头肌(短头)、胫骨前肌、股直肌和股二头肌(长头)表现出类似于弹簧的特性,通过吸收、释放和在关节间传递能量帮助提高步行的能量利用效率。跖趾关节作为步行过程中与地面直接相互作用的关节,其作用经常被忽略,因此进一步研究跖趾关节在步行过程中的生物力学行为和对人体步态的影响,结果表明跖趾关节在步行中可视为被动关节,跖趾关节的存在使人体步态呈现出“足跟着地-全足着地-足跟离地-足趾离地”的时序特征,当跖趾关节的运动受限后也会影响这一步态特征,进而使步行过程中的关节机械功增加,且步行稳定域减小。基于人体步行机理设计双足机器人仿生结构。根据人体步行机理的研究结果所提供的仿生依据,设计一种基于气动人工肌肉的主被动驱动结合、含有被动跖趾关节的双足机器人,结合人体下肢各部分的解剖结构完成双足机器人的总体结构设计,并对髋关节、膝关节、踝关节、足部等进行具体结构设计。参考人体正常行走步态,构建含有单腿支撑相、双腿支撑相和碰撞相的双足机器人混合动力学模型,以此优化设计双足机器人的关键结构参数,并以步行过程中的步态性能参数为评价指标来验证双足机器人结构设计的合理性。设计气动人工肌肉驱动的双足机器人仿人动态步行控制策略。针对气动人工肌肉复杂的迟滞特性和强非线性给其位置控制带来的困难,研究气动人工肌肉的长度/气压迟滞特性建模,建立一种含有分段算子的改进的Prandtl-Ishlinskii迟滞模型,该模型不仅能够准确地描述非对称的长度/气压迟滞特性,还能够无需任何复杂计算而直接用来准确地描述长度/气压逆迟滞特性;并进一步提出一种基于直接逆迟滞补偿的气动人工肌肉位置控制方法,实现具有较高精度的气动人工肌肉位置控制。在此基础上,不依赖于ZMP稳定判据和单纯的轨迹跟踪控制,而是参考人体步行过程中的关节运动规律和肌肉作用规律,提出一种基于有限状态机的落足点控制、反射控制与踝关节控制相结合的双足机器人仿人动态步行控制策略,并利用MATLAB进行不同条件下的机器人动态步行仿真。开展双足机器人实验研究。设计双足机器人以嵌入式控制器为核心的控制系统,并进行双足机器人样机集成与实验平台搭建。以踝关节为例进行气动人工肌肉驱动的机器人关节位置控制实验;进而开展平地、变速、变步长、上坡、下坡、不平整地面等不同条件下的双足机器人动态步行实验,验证机器人的结构设计与步行控制策略,实现双足机器人样机的仿人动态步行。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP242
【部分图文】：

图 1-21 先行者 图 1-22 BHR-1[46]图 1-23 BHR-5[47]Fig.1-21 Forerunner Fig.1-22 BHR-1[46]Fig.1-23 BHR-5[47]清华大学于 2002 年研制出了 THBIP-I 型仿人双足机器人，该机器人80cm，体重 130kg，全身总共拥有 32 个自由度[49]。在此基础上，为了拓机器人在人类生活场景中的应用[50]，又于 2009 年成功研制出了轻量小HBIP-II 仿人双足机器人，如图 1-24 中所示。

图 1-24 THBIP-II[50]图 1-25 机器人“悟”和“空”[51]Fig.1-24 THBIP-II[50]Fig.1-25 Robot “WU” and “KONG”[51]哈尔滨工业大学于 1985 年开始开展仿人双足机器人的研究，先后研制T-I、HIT-II 和 HIT-III 等多款小型仿人双足机器人，如图 1-26 中所示，机器人实现了前后步行、左右侧行、转弯以及上下楼梯和在斜面上行走，可应用于娱乐和教育等场合[52]。

图 1-26 HIT-I[52]图 1-27 智能先锋号[53]图 1-28 JET[54]Fig.1-26 HIT-I[52]Fig.1-27 Intelligent Pioneer[53]Fig.1-28 JET[54]乐聚机器人技术有限公司推出了面向教育和服务两大方向的 Aelos 和 T系列仿人双足机器人，其中机器人 Talos 如图 1-29 中所示，该机器人身高0cm，具有近似人类的肢体结构，实现了快速平稳行走，其最大步幅间隔约5cm，每秒最快可迈出三步，与小孩的行走速度相近。
【参考文献】

相关期刊论文 前2条

1 沈伟;施光林;;基于气动人工肌肉的自适应模糊小脑模型神经网络位置跟踪控制[J];上海交通大学学报;2012年04期

2 陈启军;王国星;刘成菊;;基于中枢模式发生器的机器人行走控制[J];同济大学学报(自然科学版);2010年10期

本文编号：2839562