平面单腿跳跃机器人研究1——基础

      动物和足式机器人的步行运动，是其与环境之间多维度复杂非线性动态耦合作用的结果。虽然动物的步行展现了极强的灵活性和环境适应性，但其机器模仿者还远远没有达到实用的需要。

                       

图1 马的类单腿弹跳运动方式

      采用足式行走的动物，尤其是在快速移动时，都是以单腿弹跳的方式运动,因此研究单腿跳跃机器人的控制问题将为理解动物和足式机器人的运动提供基础。另一方面，由于单腿机器人还比较复杂，而更简单的平面单腿机器人的系统动态与空间单腿机器人类似，在平面跳跃运动中同样存在飞行期和支撑期，在支撑期也必须同时施加姿态和高度控制，因此将平面单腿机器人作为控制对象来研究平面单腿跳跃问题是探索腿足机器人运动控制的良好开端。

      一、平面单腿跳跃机器人

 

图2 运动中的平面单腿跳跃机器人

      平面单腿跳跃机器人由一个本体和一条腿构成，腿为二连杆结构，如图2。平面单腿跳跃机器人的腿部与本体连接的髋关节和腿部膝关节安装有驱动器，施加的关节力矩使腿部运动，可实现单腿机器人在平面上的振荡跳跃。

平面单腿机器人的跳跃运动可以分为两个阶段：从下落时足端接触地面，到再次撑起跳跃，平面单腿机器人处于支撑期；而从上升时足端离开地面，到足端与地面再次接触，平面单腿机器人处于飞行期。处于支撑期和飞行期的平面单腿机器人动力学存在较大的不同，需要对两个系统分别进行分析和控制器设计：支撑期的平面单腿机器人像球一样反弹，另一方面也像倒立摆一样倾倒，需要对本体的姿态和高度进行控制；而飞行期的平面单腿机器人做自由落体运动，只能控制足端相对于本体的位置。