機器人踝足機械柔順性發(fā)展歷程及展望

摘 要：為實現(xiàn)機器人的柔順步態(tài)，從機械柔順性發(fā)展歷程方面，介紹了機器人踝足的發(fā)展歷程，并對未來的發(fā)展趨勢進行展望。希望通過文章的分析，能夠為相關(guān)人士提供一定的參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：機械柔順性；CF踝足；ESR踝足；SEA踝足

1 概述

眾所周知，自然界中的生物以其多彩多姿的形態(tài)、靈巧機敏的動作活躍于自然界，這其中人類可以直立行走的雙足是最具靈活特性的，而非人生物的許多機能又是人類無法比擬的，如在搶險救災(zāi)、反恐防爆等不適合由人來承擔的任務(wù)中，需要相應(yīng)的可以代替人類執(zhí)行任務(wù)的機器人。同時，新的需求和任務(wù)也對機器人行走的穩(wěn)定性和柔順性提出了更高的要求。

多年來，國內(nèi)外的許多學(xué)者致力于機器人機械結(jié)構(gòu)的研究，以此來改進機器人步態(tài)的穩(wěn)定性和柔順性。

2 機器人踝足發(fā)展歷程

2.1 傳統(tǒng)踝足（CF踝足）

傳統(tǒng)踝足整體用橡膠或聚胺酷材料制成，腳后跟處有一個楔形的彈性軟墊，腳芯用碳纖等特殊彈性材料（稱為“龍骨”）制作。常見的傳統(tǒng)踝足是SACH（全稱是“Solid Ankle Cushioned Heel”），SACH踝足整體具有一定彈性，能允許一定程度的內(nèi)、外翻和水平轉(zhuǎn)動，所以有一定程度的穩(wěn)定性和柔順性。但在機器人行走過程中，能量利用率低且柔順性不高，因此研發(fā)了能量存儲和回收踝足。

2.2 能量存儲和回收踝足（ESR踝足）

ESR踝足的典型代表是美國密西根大學(xué)研究的能量回收踝足，見圖1。它的原型機大小和形狀與傳統(tǒng)的踝足相似，但有獨立的后腳板與前腳板，腳中間有一個旋轉(zhuǎn)軸。在站立期，腳跟觸底瞬間，后腳板旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)并壓縮一個旋轉(zhuǎn)彈簧，彈簧受壓到最大程度，后向腳板被單向離合器鎖存，彈性能量得到存儲。在擺動期，由回位彈簧復(fù)位設(shè)備，從而使腳后跟準備下一個步態(tài)的位置。

能量回收踝足不似傳統(tǒng)踝足自發(fā)的釋放能量，而是檢測到一定負載才釋放存儲的能量。相較于傳統(tǒng)踝足，ESR踝足的能量利用率以及穩(wěn)定性和柔順性得到進一步的增強，但仍然不能滿足陸地行走型服務(wù)機器人步態(tài)柔順的要求，因此研發(fā)了仿生踝足。

圖1 能量回收踝足

2.3 仿生踝足

按驅(qū)動方式可分為液壓型、氣動型和電動型。液壓型利用磁流變阻尼原理，開發(fā)了被動換關(guān)節(jié)；氣動型開發(fā)了裝有百褶氣動人工肌肉的小腿假肢原型；但這兩者的反應(yīng)動作均有延遲，且液壓型和氣壓型壓力較大，較危險，不太適合陸地服務(wù)型機器人。

電動型仿生踝足的典型代表是美國麻省理工學(xué)院（MIT）的Media實驗室的SEA踝足。機械設(shè)計的基本結(jié)構(gòu)是一個物理彈簧，平行配置于一個力可控制驅(qū)動器。圖2分別展示所提出的供電假腳的機械設(shè)計和原理圖。如圖2（b）所示，系統(tǒng)中有五個機械元素：高功率輸出的直流馬達，滾珠螺桿傳動，一串行彈簧，一單向并行彈簧，和碳纖維復(fù)合材料板簧假腳。其中直流馬達、滾軸絲杠和串行彈簧形成一個旋轉(zhuǎn)式系列彈性驅(qū)動器（SEA）。SEA通過控制串聯(lián)彈簧的壓縮程度，來控制輸出力。SEA的串聯(lián)彈簧可以緩沖后腳板與地面接觸瞬間的壓力，提高抗沖擊能力；利用自身的重力壓縮彈簧，存儲彈性勢能，當檢測到一定負載時，彈簧釋放存儲的彈性勢能，直流電機也提供能量，共同推動肢體向上向前運動，使機器人踝足運動更加靈活，機器人可以較柔順的行走。

為了緩沖前腳掌觸底時瞬間的沖擊力，在SEA的基礎(chǔ)上加上單向串聯(lián)彈簧，同時也存儲了能量，使步態(tài)更加穩(wěn)定和柔順。

3 結(jié)束語

相較于其他踝足，SEA踝足雖然能使機器人較穩(wěn)定、柔順的行走，但由于SEA機構(gòu)中存在彈性環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)對穩(wěn)定性變化較為敏感，所以，需要更多的研究和創(chuàng)新，研發(fā)一個更加穩(wěn)定、柔順、能適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境的踝足。

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