本技术介绍了一款新型仿生双足机器人,其特点在于具备可变刚度关节和双关节柔性设计。该机器人由躯干、大腿、小腿和脚部组成,每条腿的双关节柔性部分由三个串联弹性驱动器提供动力。
背景技术
自然界中的生物展现出惊人的环境适应能力,能够在多变的环境中执行多样化的任务。这种适应性在很大程度上归功于肌肉和关节系统的协同工作,它们能够实时调整刚度以适应不同的运动需求。具体来说,关节在执行需要稳定性以及较大的力量输出等运动任务(例如跳起腾空)时,可以通过调节肌肉增大刚度;关节在执行有缓震和储能等需求的运动任务(如从空中落地)时,可以通过调节肌肉减小刚度。这种动态调节机制是生物运动系统高度复杂且精确调控的结果,受这种自然界动物肌肉和关节刚度调节机制的启发,研究者们发明了变刚度驱动器。
传统的双足机器人各关节大多采用刚性驱动器,其具有控制简单、精度高、理论刚度无穷大的特点。随着机器人技术的发展,传统的刚性驱动器已无法满足需求。例如机器人运动时经常会产生各种冲击,而刚性驱动器中没有吸能、缓冲结构,瞬时的冲击力很容易对机器人的结构造成损伤。在双足机器人中引入变刚度驱动器,则可以有效地解决这些问题。变刚度驱动器能够使关节运动更平滑,不仅能够防止冲击带来的硬件损伤,还能在机器人行走过程中不断存储和释放能量,以实现更高的能量效率。但是,与传统刚性驱动器相比,变刚度驱动器需要额外的刚度调节电机,因此通常具有更多的机械部件和控制元件,增加了系统的总重量和复杂程度。此外,变刚度驱动器中弹性元件的设计和配置对变刚度驱动器整体储能效果有着至关重要的影响,进一步增加了设计的难度和要求。
除单关节柔性对人体运动的影响外,双关节肌在运动过程中也发挥着极其重要的作用。双关节肌是指跨越两个或两个以上关节的肌肉,能为人体运动提供复杂且精细的调控能力。在人体进行跳跃运动时,双关节肌通过协调不同关节的运动,保证了运动的稳定性,也实现了能量的循环利用。通过在机器人中引入受双关节肌启发的结构,可以大大提高机器人对复杂环境的适应能力和动态稳定性,同时也会使机器人的运动步态更加自然。
实现思路