基于足地接觸力跟蹤的單足機器人彈跳運動控制

尹 鵬，李滿天，王 俊，查富生2，，孫立寧

（1.哈爾濱工業大學機器人技術與系統國家重點實驗室，黑龍江 哈爾濱150001；2.哈爾濱工業大學超精密光電儀器工程研究所，黑龍江 哈爾濱150001；3.雙錢集團（江蘇）輪胎有限公司博士后創新基地，江蘇 如皋226500）

0 引言

動物在跑跳運動中，其肌肉、韌帶、肌腱與骨骼系統作為有機整體呈現為類似單個彈簧的運動形式［1－3］，其中彈性結構以被動運動的形式對運動中的能量進行吸收和釋放，該模型已得到學術界的普遍接受和認可［4－5］。Raibert將彈性被動伸縮環節應用于機器人的腿部結構中，實現了平坦路面下單足、雙足以及四足機器人在跳躍步態下的穩定控制［6－7］。足式機器人在運動中，地面剛度的變化會對其原有狀態產生干擾，使之運動狀態發生偏離。動物和人在運動中會通過腿部剛度的調整，以應對不同的地面剛度變化，保證其整體特性不受影響［8］，當機體運動不發生變化時，其足地接觸力會保持原有的狀態。由此，對于做彈跳運動的機器人單腿結構，可以通過控制其足地接觸力的方式，來消除在豎直方向地面剛度變化對彈跳運動的影響，使其機體彈跳運動保持連貫和一致的輸出特性。

1 單腿彈跳運動模型

1.1 單腿彈跳基本模型

針對當地面剛度發生變化時，維持足式機器人在豎直方向彈跳運動一致性的問題進行研究。因此，對機器人以及地面的模型進行簡化，只將其視為單腿在彈性地面上進行豎直方向的單自由度運動，此時腿部構型等效為具有彈性被動伸縮特性的直腿，將地面剛度的改變視為在原有理想系統基礎上加入的干擾因素；……