机器人踝足机械柔顺性发展历程及展望

摘 要：为实现机器人的柔顺步态，从机械柔顺性发展历程方面，介绍了机器人踝足的发展历程，并对未来的发展趋势进行展望。希望通过文章的分析，能够为相关人士提供一定的参考和借鉴。

关键词：机械柔顺性；CF踝足；ESR踝足；SEA踝足

1 概述

众所周知，自然界中的生物以其多彩多姿的形态、灵巧机敏的动作活跃于自然界，这其中人类可以直立行走的双足是最具灵活特性的，而非人生物的许多机能又是人类无法比拟的，如在抢险救灾、反恐防爆等不适合由人来承担的任务中，需要相应的可以代替人类执行任务的机器人。同时，新的需求和任务也对机器人行走的稳定性和柔顺性提出了更高的要求。

多年来，国内外的许多学者致力于机器人机械结构的研究，以此来改进机器人步态的稳定性和柔顺性。

2 机器人踝足发展历程

2.1 传统踝足（CF踝足）

传统踝足整体用橡胶或聚胺酷材料制成，脚后跟处有一个楔形的弹性软垫，脚芯用碳纤等特殊弹性材料（称为“龙骨”）制作。常见的传统踝足是SACH（全称是“Solid Ankle Cushioned Heel”），SACH踝足整体具有一定弹性，能允许一定程度的内、外翻和水平转动，所以有一定程度的稳定性和柔顺性。但在机器人行走过程中，能量利用率低且柔顺性不高，因此研发了能量存储和回收踝足。

2.2 能量存储和回收踝足（ESR踝足）

ESR踝足的典型代表是美国密西根大学研究的能量回收踝足，见图1。它的原型机大小和形状与传统的踝足相似，但有独立的后脚板与前脚板，脚中间有一个旋转轴。在站立期，脚跟触底瞬间，后脚板旋转旋转并压缩一个旋转弹簧，弹簧受压到最大程度，后向脚板被单向离合器锁存，弹性能量得到存储。在摆动期，由回位弹簧复位设备，从而使脚后跟准备下一个步态的位置。

能量回收踝足不似传统踝足自发的释放能量，而是检测到一定负载才释放存储的能量。相较于传统踝足，ESR踝足的能量利用率以及稳定性和柔顺性得到进一步的增强，但仍然不能满足陆地行走型服务机器人步态柔顺的要求，因此研发了仿生踝足。

图1 能量回收踝足

2.3 仿生踝足

按驱动方式可分为液压型、气动型和电动型。液压型利用磁流变阻尼原理，开发了被动换关节；气动型开发了装有百褶气动人工肌肉的小腿假肢原型；但这两者的反应动作均有延迟，且液压型和气压型压力较大，较危险，不太适合陆地服务型机器人。

电动型仿生踝足的典型代表是美国麻省理工学院（MIT）的Media实验室的SEA踝足。机械设计的基本结构是一个物理弹簧，平行配置于一个力可控制驱动器。图2分别展示所提出的供电假脚的机械设计和原理图。如图2（b）所示，系统中有五个机械元素：高功率输出的直流马达，滚珠螺杆传动，一串行弹簧，一单向并行弹簧，和碳纤维复合材料板簧假脚。其中直流马达、滚轴丝杠和串行弹簧形成一个旋转式系列弹性驱动器（SEA）。SEA通过控制串联弹簧的压缩程度，来控制输出力。SEA的串联弹簧可以缓冲后脚板与地面接触瞬间的压力，提高抗冲击能力；利用自身的重力压缩弹簧，存储弹性势能，当检测到一定负载时，弹簧释放存储的弹性势能，直流电机也提供能量，共同推动肢体向上向前运动，使机器人踝足运动更加灵活，机器人可以较柔顺的行走。

为了缓冲前脚掌触底时瞬间的冲击力，在SEA的基础上加上单向串联弹簧，同时也存储了能量，使步态更加稳定和柔顺。

3 结束语

相较于其他踝足，SEA踝足虽然能使机器人较稳定、柔顺的行走，但由于SEA机构中存在弹性环节，使系统对稳定性变化较为敏感，所以，需要更多的研究和创新，研发一个更加稳定、柔顺、能适应各种复杂环境的踝足。

参考文献

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