[發明專利]一種仿人腿的膝踝剛度匹配方法

有效

• 申請號: 201710035918.3
• 申請日: 2017-01-18
• 公開（公告）號: CN106647334B
• 公開（公告）日: 2018-08-14
• 發明（設計）人: 朱秋國;吳偉男;吳俊;熊蓉
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G05B17/02
• 分類號: G05B17/02
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 邱啟旺

本發明公開了一種仿人腿的膝踝剛度匹配方法，本發明根據機器人設計的Solidworks模型數據，搭建Adams與Matlab聯合仿真平臺，設計機器人在飛行相和站立相的控制率，機器人可以完成落腳點為零的原地跳躍，根據分析人體跳躍運動規律，提出PSO算法的評價函數，根據PSO算法搜索出滿足評價指標的膝踝關節彈簧剛度；根據PSO算法搜索結果，選取實物中機器人可用彈簧剛度。本發明實現了機器人連續穩定的高能效跳躍運動，能量效率可達到55.8％。

技術領域

本發明屬于機器人技術領域，尤其涉及一種多自由度仿人腿的剛度匹配方法。

背景技術

生物學研究表明，在人類跳躍和跑步過程中，腳踝關節發揮著非常重要的作用，尤其腳踝處的肌腱和韌帶在跑跳運動中具有緩沖、能量吸收和釋放等功能。比如在落地瞬間，腳踝關節可以起到緩沖和存儲能量的作用；而在離地時刻，關節釋放能量并通過主動發力與膝關節共同完成起跳動作。在慢速跳躍時，站立相采用腳尖-腳掌-腳跟著地，在快速跳躍時，站立相始終采用腳尖-前腳掌著地。前者通過腳掌支撐面為跳躍運動提高穩定支撐域，確保穩定性要求，而后者充中分利用跟腱的儲能作用提高了運動的能效性。依據仿生的思想和原理，在單腿機器人引入腳踝關節來提高機器人的運動性能和能效系能。驅動方式采用SEA(串聯彈性驅動)，SEA中的柔性元件可以模擬人類的肌肉和跟腱，在跳躍過程中存儲能量，提高機器人在跳躍中的能量效率。但是在加入腳踝關節后，膝踝關節SEA中彈簧剛度的不同組合，會帶來機器人被動特性的不同。ETH的ScarlETH采用固定的膝關節剛度，以踝關節剛度為變量，仿真優化了膝關節電機的控制率，通過比較不同踝關節剛度的總能耗確定了最優的踝關節剛度。TUD的BioBiped2膝踝關節在彈簧剛度不匹配情況下可能出現某個關節超過限位的問題進行了研究，以膝踝關節壓縮至最低點的時間差為指標，在仿真和實物中通過選取不同的彈簧剛度進行實驗，給出了合適的彈簧剛度。但是，兩者均未解決如何自動的選取不同的膝踝剛度最優匹配問題。

發明內容

本發明針對驅動方式為SEA(串聯彈性驅動)的帶有髖、膝、踝三個關機的單腿機器人，提出了一種仿人腿的膝踝剛度匹配方法。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：一種仿人腿的膝踝剛度匹配方法，包括以下步驟：

(1)、單腿機器人仿真平臺搭建，包括以下子步驟：

(1.1)、在solidworks設計軟件中，將機器人的多個裝配體根據身體、大腿、小腿、腳板整合成四個裝配體，并將四個裝配體另存為可以導入到Adams軟件中的.xmt_txt文件格式，并計算出四個裝配體的質量和轉動慣量；

(1.2)、將solidworks中保存的.xmt_txt文件導入到Adams軟件中；在Adams軟件中，通過Modify功能，選擇user_input選項將solidworks中計算的連桿質量和轉動慣量添加進去；通過Jiont模塊對機器人各連桿添加轉動約束；通過Force模塊對機器人各轉動副添加力矩驅動；并添加機器人各關節角度的測量變量和各關節力矩的輸入變量；再添加一個長方體剛體作為地面，地面與ground模塊通過固定副相連；在地面與腳板之間加入Contact碰撞力模塊；

(1.3)、通過Adams軟件的Control模塊，配置輸入輸出變量，將Adams模型輸出為Matlab可執行的.m文件；在Matlab中，通過adams_sys指令生成機器人的simulink模型，在Matlab的simulink模塊中添加機器人的各關節控制模塊，狀態機判斷模塊，完成單腿機器人仿真平臺的搭建；

(2)、選取單腿機器人仿真平臺的控制算法：機器人的足底力等于零時，機器人狀態定義為飛行相；機器人的足底力大于零時，機器人狀態定義為站立相；包括以下子步驟：

(2.1)、選取機器人的飛行相控制算法：機器人在飛行相主要任務是進行落腳點的控制，根據機器人的逆運動學算法反解出在機器人落腳點為零時各關節的位置；各關節控制關節位置，采用PD力矩控制算法：