機器人踝足機械柔順性發展歷程及展望

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

關鍵詞：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、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、反恐防爆等不適合由人來承擔的任務中，需要相應的可以代替人類執行任務的機器人。同時，新的需求和任務也對機器人行走的穩定性和柔順性提出了更高的要求。

多年來，國內外的許多學者致力于機器人機械結構的研究，以此來改進機器人步態的穩定性和柔順性。

2 機器人踝足發展歷程

2.1 傳統踝足（CF踝足）

傳統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、外翻和水平轉動，所以有一定程度的穩定性和柔順性。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，腳中間有一個旋轉軸。在站立期，腳跟觸底瞬間，后腳板旋轉旋轉并壓縮一個旋轉彈簧，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，由回位彈簧復位設備，從而使腳后跟準備下一個步態的位置。

能量回收踝足不似傳統踝足自發的釋放能量，而是檢測到一定負載才釋放存儲的能量。相較于傳統踝足，ESR踝足的能量利用率以及穩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機器人步態柔順的要求，因此研發了仿生踝足。

圖1 能量回收踝足

2.3 仿生踝足

按驅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，開發了被動換關節；氣動型開發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，不太適合陸地服務型機器人。

電動型仿生踝足的典型代表是美國麻省理工學院（MIT）的Media實驗室的SEA踝足。機械設計的基本結構是一個物理彈簧，平行配置于一個力可控制驅動器。圖2分別展示所提出的供電假腳的機械設計和原理圖。如圖2（b）所示，系統中有五個機械元素：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式系列彈性驅動器（SEA）。SEA通過控制串聯彈簧的壓縮程度，來控制輸出力。SEA的串聯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的基礎上加上單向串聯彈簧，同時也存儲了能量，使步態更加穩定和柔順。

3 結束語

相較于其他踝足，SEA踝足雖然能使機器人較穩定、柔順的行走，但由于SEA機構中存在彈性環節，使系統對穩定性變化較為敏感，所以，需要更多的研究和創新，研發一個更加穩定、柔順、能適應各種復雜環境的踝足。

參考文獻

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