机器人踝足机械柔顺性发展历程及展望

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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