第1章 绪 论
目前国内外典型的仿人机器人大多可实现双足步行等运动，甚至具有多感知机能，这些机器人多采用电机、减速器等传动装置进行驱动，而人类步行时来自地面反力最大可达自身体重 7 倍，对于机器人机构来说，如此大的冲击可能导致机构损坏，为实现机器人快速步行同时有效缓冲外部冲击，越来越多的机构开始研究机器人挠性驱动，机器人挠性驱动可吸收振动，减缓冲击，保护机构，同时减小系统的惯量影响，进行能量存储。机器人挠性驱动一般有气动人工肌肉、液压驱动、绳驱动、弹簧驱动、挠性材料驱动等驱动方式，其中主动自由度有34个[19,20]，此两种仿人机器人尽管能够实现步行运动，但自重都达到接近 100kg，而且价格昂贵。典型的气动人工肌肉机器人是比利时布鲁塞尔自由大学于2006年研制的Lucy机器人和法国LMS研究室于2000年开发的 BIP2000 仿人机器人，Lucy 机器人采用的气动人工肌肉，比普通气动人工肌肉具有更快速的响应特性，且输出功率更大，该机器人可在固定侧偏运动的情况下可实现前向步行运动[21]，BIP2000 有 15 个自由度，能够实现静态双足步行运动，并具有较强的稳定步行能力，受到1kgf的扰动不会倾覆[22]。以上四台机器人样机如图1-5 所示。
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第2章 挠性驱动单元研制与动力学建模
2.1 引言
为实现机器人的类人特性，参考仿人肌腱驱动和张力反馈控制的仿生原理，设计研制一种钢丝绳驱动的可进行张力反馈和关节全闭环控制的机器人关节用挠性驱动单元，该单元采用动滑轮组增力，钢丝绳牵引，模块化，实现双向无级锁紧，能够对机器人关节进行挠性驱动。挠性驱动具有缓冲减振的优点，但具有回差和滞后，需要研究其钢丝绳挠性变形和关节输出的关系以进行补偿，因此研究挠性驱动单元的动力学建模方法，采用粘弹性动力学对钢丝绳进行建模，推导出挠性驱动单元的动力学方程，并且根据其动力学方程，得到基于张力的挠性驱动单元关节角公式。提出一种基于粘弹性动力学的张力设计方法，该方法对于具有动滑轮组的机械系统张力计算具有通用性。为了验证挠性驱动单元动力学正确性，进行动力学软件下的仿真，提出一种三维可变多义线的方法建立挠性驱动单元的钢丝绳仿真模型，该方法可解决在动力学软件中动滑轮组系统建模困难的问题。
2.2 挠性驱动单元机构原理与设计
挠性驱动单元可产生与仿生肌腱双向收缩驱动关节的相似运动，可根据需要安装在机器人关节上实现双向驱动，即每个关节用一个单元驱动，能够避免普通挠性驱动装置如人工肌肉和钢丝绳驱动装置需要两个单元驱动一个自由度的缺点。同时，该驱动单元具有一定的抗冲击和减振效果。驱动单元中使用的钢丝绳能够双向锁紧，通过调节预紧力来改变钢丝绳输入输出响应，从而改变传动性能。挠性驱动单元原理图如图2-1所示。分析机器人关节用挠性驱动单元输出与输入关系：电机轴顺时针旋转（如图2-1，水平向右看），经过行星减速器（2级行星传动）减速后方向不变，减速器输出轴固连的钢丝绳 2 拉紧，钢丝绳 1 放松，钢丝绳 2带动动滑轮组2 向挠性驱动单元壳体底部（如图2-1右侧为驱动单元壳体底部）运动，动滑轮组 2 固连的钢丝绳 4 拉紧，带动挠性驱动单元关节顺时针（从纸面垂直向里看）旋转，同时关节固连的钢丝绳 3 拉紧，带动动滑轮组 1 向挠性驱动单元关节端运动；反之亦然。
第3章 挠性驱动单元控制器设计与性能测试实验 ............................ 43
3.1 引言 ................................... 43
3.2 挠性驱动单元控制策略 ............................... 43
3.3 挠性驱动单元控制器设计 ................................ 44
第4章 带有挠性驱动的双足机器人步行样本生成研究 ............................... 59
4.1 引言 ......................................... 59
4.2 滑动和转动约束下稳定性分析 ....................................... 59
第5章 带有挠性驱动的双足机器人研制与实验 ........................................ 90
5.1 引言 ..................................... 90
第5章 带有挠性驱动的双足机器人研制与实验
5.1 引言
人类常速步行着地冲击力为体重的3.5倍，最大为7倍，人类肌肉具有缓冲减振作用，可在具有外界冲击时有效保护人体关节，而仿人机器人大多采用减速器等传动装置驱动，无法承受如此大冲击载荷，因此限制机器人的步行速度，在第2、3章工作基础上，设计、研制带有挠性驱动单元的仿人双足步行机器人，并进行双足步行实验。挠性驱动单元能够减振缓冲，保护机器人机构，但其存在回差和滞后，难以控制，分别用轨迹跟踪控制、关节全闭环和张力反馈控制器进行步行实验，以验证第3章控制器的控制效果。
5.2 带有挠性驱动的双足机器人设计
国外很多学者设计了绳驱动双足步行机器人，但较少有学者将绳驱动机构设计成模块化挠性驱动单元进行双足机器人驱动，为了验证挠性驱动对机器人的驱动能力，将挠性驱动单元用于双足机器人，挠性驱动可有效降低机器人受到的外界冲击，从而减小传递到电气部分的振动。早稻田大学绳驱动机器人步速0.024km/h[133]，其双腿 10 自由度均采用绳驱动，是目前速度最快的全部采用绳驱动的机器人，但速度很慢，因此本文在保证挠性驱动单元驱动能力的前提下，仅在髋关节俯仰自由度使用挠性单元，后续研究将逐渐增加机器人上的挠性驱动。
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结 论
本文首先研制了一种绳驱动的机器人用挠性驱动单元，通过动力学建模理论、动力学仿真与性能测试实验等工作验证了挠性驱动单元的驱动能力；作为挠性驱动单元在双足机器人上应用的理论基础，分析了挠性驱动对双足步行稳定性的影响，并研究了双足机器人步行样本生成方法；最后研制了10 自由度仿人双足步行机器人，实现了带有挠性驱动单元的双足机器人稳定步行。本文的主要结论如下：
（1）设计、研制了一种钢丝绳驱动，动滑轮组增力，具有张力和关节反馈，可应用于双足步行机器人关节上的挠性驱动单元，该单元具有轻量化、模块化、能够无极双向螺旋锁紧、具有限位保护等特点，并可产生与生物肌肉组织双向收缩驱动关节的相似运动。研究挠性驱动单元建模方法，将钢丝绳模拟为离散弹簧、阻尼，基于粘弹性动力学建立了挠性驱动单元动力学模型，该模型可用于挠性驱动单元张力控制，动力学算例证明该建模方法的正确性；针对钢丝绳-动滑轮系统在仿真软件中建模的困难，利用三维可变多义线建立空间中钢丝绳-动滑轮系统，采用该方法可方便进行挠性驱动单元的仿真分析，为了验证挠性驱动单元驱动能力，在仿真软件中建立了挠性驱动单元虚拟样机并进行了动力学分析，仿真结果表明挠性驱动单元动力学建模方法及三维可变多义线方法正确有效。
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参考文献（略）