[发明专利]一种仿人腿的膝踝刚度匹配方法

说明书

本发明公开了一种仿人腿的膝踝刚度匹配方法，本发明根据机器人设计的Solidworks模型数据，搭建Adams与Matlab联合仿真平台，设计机器人在飞行相和站立相的控制率，机器人可以完成落脚点为零的原地跳跃，根据分析人体跳跃运动规律，提出PSO算法的评价函数，根据PSO算法搜索出满足评价指标的膝踝关节弹簧刚度；根据PSO算法搜索结果，选取实物中机器人可用弹簧刚度。本发明实现了机器人连续稳定的高能效跳跃运动，能量效率可达到55.8％。

技术领域

本发明属于机器人技术领域，尤其涉及一种多自由度仿人腿的刚度匹配方法。

背景技术

生物学研究表明，在人类跳跃和跑步过程中，脚踝关节发挥着非常重要的作用，尤其脚踝处的肌腱和韧带在跑跳运动中具有缓冲、能量吸收和释放等功能。比如在落地瞬间，脚踝关节可以起到缓冲和存储能量的作用；而在离地时刻，关节释放能量并通过主动发力与膝关节共同完成起跳动作。在慢速跳跃时，站立相采用脚尖-脚掌-脚跟着地，在快速跳跃时，站立相始终采用脚尖-前脚掌着地。前者通过脚掌支撑面为跳跃运动提高稳定支撑域，确保稳定性要求，而后者充中分利用跟腱的储能作用提高了运动的能效性。依据仿生的思想和原理，在单腿机器人引入脚踝关节来提高机器人的运动性能和能效系能。驱动方式采用SEA(串联弹性驱动)，SEA中的柔性元件可以模拟人类的肌肉和跟腱，在跳跃过程中存储能量，提高机器人在跳跃中的能量效率。但是在加入脚踝关节后，膝踝关节SEA中弹簧刚度的不同组合，会带来机器人被动特性的不同。ETH的ScarlETH采用固定的膝关节刚度，以踝关节刚度为变量，仿真优化了膝关节电机的控制率，通过比较不同踝关节刚度的总能耗确定了最优的踝关节刚度。TUD的BioBiped2膝踝关节在弹簧刚度不匹配情况下可能出现某个关节超过限位的问题进行了研究，以膝踝关节压缩至最低点的时间差为指标，在仿真和实物中通过选取不同的弹簧刚度进行实验，给出了合适的弹簧刚度。但是，两者均未解决如何自动的选取不同的膝踝刚度最优匹配问题。

发明内容

本发明针对驱动方式为SEA(串联弹性驱动)的带有髋、膝、踝三个关机的单腿机器人，提出了一种仿人腿的膝踝刚度匹配方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种仿人腿的膝踝刚度匹配方法，包括以下步骤：

(1)、单腿机器人仿真平台搭建，包括以下子步骤：

(1.1)、在solidworks设计软件中，将机器人的多个装配体根据身体、大腿、小腿、脚板整合成四个装配体，并将四个装配体另存为可以导入到Adams软件中的.xmt_txt文件格式，并计算出四个装配体的质量和转动惯量；

(1.2)、将solidworks中保存的.xmt_txt文件导入到Adams软件中；在Adams软件中，通过Modify功能，选择user_input选项将solidworks中计算的连杆质量和转动惯量添加进去；通过Jiont模块对机器人各连杆添加转动约束；通过Force模块对机器人各转动副添加力矩驱动；并添加机器人各关节角度的测量变量和各关节力矩的输入变量；再添加一个长方体刚体作为地面，地面与ground模块通过固定副相连；在地面与脚板之间加入Contact碰撞力模块；

(1.3)、通过Adams软件的Control模块，配置输入输出变量，将Adams模型输出为Matlab可执行的.m文件；在Matlab中，通过adams_sys指令生成机器人的simulink模型，在Matlab的simulink模块中添加机器人的各关节控制模块，状态机判断模块，完成单腿机器人仿真平台的搭建；

(2)、选取单腿机器人仿真平台的控制算法：机器人的足底力等于零时，机器人状态定义为飞行相；机器人的足底力大于零时，机器人状态定义为站立相；包括以下子步骤：

(2.1)、选取机器人的飞行相控制算法：机器人在飞行相主要任务是进行落脚点的控制，根据机器人的逆运动学算法反解出在机器人落脚点为零时各关节的位置；各关节控制关节位置，采用PD力矩控制算法：