對于機器人來說，適應復雜地形不僅要求關節的運動范圍足夠大，而且要求在非結構化環境下具有優異的著陸性能。在自然界中，許多生物在高空墜落時，通過實時控制身體姿勢和肌肉力量來獲得穩定的著陸緩沖能力。迄今為止，跳躍機器人的最佳緩沖性能是通過在腿部添加彈簧來實現的，很少通過足踝，然而，人類足踝可以通過控制關節姿勢和肌肉激活程度來實現明顯的陸地緩沖作用。

吉林大學任露泉院士團隊，任雷教授、王坤陽副教授課題組受人類腳踝周圍肌肉主動肌和拮抗肌相互作用原理啟發，基于仿生串并聯彈性驅動器設計了機器人多軸踝關節，實現了類似人體的跖/背屈和內/外翻運動，各方向的運動范圍可達30度，同時在非結構化環境中最高可降低52.2%的沖擊力。此外，該驅動下的仿生踝關節還具有變剛度和自感知路面傾斜度的性能。該研究以題為“A Multiaxial Bionic Ankle Based on Series Elastic Actuation with a Parallel Spring”的論文發表在《IEEE Transactions on Industrial Electronics》期刊。

仿生踝關節的機械結構

在人類踝關節中，脛骨前肌和腓腸肌/比目魚肌是背屈/跖屈的一對拮抗肌，而拇長屈肌和指長伸肌是內翻/外翻的一對拮抗肌。作者受拮抗肌肉相互作用原理啟發，將串聯彈性驅動器SEA作為主動肌肉，并聯彈性元件PS作為被動的拮抗肌肉，設計了由SEA和PS組成的仿生串并聯彈性驅動器SEAPS。本研究將四對主動和被動肌肉組成四個SEAPSs，在小腿處放置四個SEAs以實現2自由度的踝關節運動，將PS固定在踝關節周圍以吸收沖擊和保持姿態穩定。 ?

圖1?基于SEAPSs的仿生踝關節設計原理

【仿生踝關節的軌跡跟蹤及變剛度特性】

本研究采用由逆動力學前饋控制器、PD反饋控制器、電機側動力學模型、負載側動力學模型和抗干擾觀測器（DOB）組成的阻抗控制器控制踝關節運動。作者使用Vicon動作捕捉系統采集了仿生踝關節的實際運動角度，結果表明，阻抗控制下仿生踝關節跖屈和背屈的最大跟蹤誤差為0.7%，內翻和外翻的最大跟蹤誤差為1.0%，空間三維運動最大跟蹤誤差為2.3%，且能夠實現與人體踝關節高度類似的三維運動（相對均方根誤差小于0.5%）。

作者采用拉伸試驗機對仿生踝關節在不同載荷條件下的關節剛度進行了測試，當角度發生變化時，實現了非線性的關節剛度，表明該踝關節能夠使機器人在不同路況下行走時保持平衡。

圖2?仿生踝關節運動跟蹤及變剛度特性

【仿生踝關節的著陸緩沖能力】

無論是人類還是其他兩足動物，從高處著陸都會帶來巨大的沖擊，作者進行了一系列的沖擊實驗來研究仿生踝關節在不同姿勢下的陸地緩沖性能。該足踝被放置在離地面40厘米的高處，通過線性導軌垂直掉落到一個22度傾斜的平臺上，利用動力學模型計算了各沖擊狀態下踝關節力矩的變化，結合落地過程中測量得到的垂直地面反作用力，分析了仿生踝關節的緩沖效果。

為了驗證彈性元件PSs對緩沖性能的影響，我們將無彈簧（無限剛度）定義為參考組，與無彈簧相比，仿生踝關節在配置彈簧剛度為0.5、1、1.5和2 N/mm的并聯彈簧時，峰值垂直地反力分別降低了11.8%、28.4%、52.2%和46.0%，峰值踝關節扭矩分別降低26.4%、43.1%、57.9%和48.6%。

此外，作者還分析了背屈和外翻姿態下的著陸緩沖性能，結果表明，隨著彈簧剛度的增大，仿生踝關節的緩沖效果先增大后減小，如果彈性元件剛度過大，從關節角度的變化可以看出，足踝在與地面接觸時不能很好地變形，因此，當彈簧剛度大于臨界值時，緩沖效果下降。

圖3?彈簧剛度對跖屈姿態沖擊下踝關節角度、地面反力和關節扭矩的影響 ?

結語：受人類腳踝周圍肌肉主動肌和拮抗肌相互作用啟發，作者創新性提出了一種具有優異著陸緩沖性能的仿生多自由度踝關節，該關節由四個仿生串并聯彈性驅動器進行驅動，通過足部緩沖的方式降低機器人在非結構化環境下的沖擊力，并且在矢狀面和冠狀面均實現了大范圍的運動，再現了人類踝關節的真實運動軌跡，其關節剛度能夠適應各種載荷條件。

審核編輯：劉清