27、可变减速比关节的跳跃机器人腿部机构设计

可变减速比关节的跳跃机器人腿部机构设计

1. 引言

腿部机器人是机器人领域的前沿和热点，具有重要的科学意义和应用价值。然而，目前大多数双足机器人仅具备部分运动能力，如行走、慢跑和小跳跃，运动形式单一、环境适应性低且运动速度受限。因此，双足机器人的高动态运动（如跑步和跳跃）研究日益受到关注。

对于跳跃运动，驱动系统需为关节提供足够的扭矩和速度，以达到预设的起跳速度。但电机驱动的跳跃机器人面临电机功率限制问题，即电机的最大扭矩和最大速度无法同时实现。当电机速度达到一定值时，其最大输出扭矩会开始下降。我们可以通过调整减速比（电机与关节之间的连接环节），优化电机扭矩和速度在不同运动阶段向关节的分配。因此，与固定减速比关节相比，可变减速比关节能充分发挥电机能力，提高机器人的跳跃性能。此外，可变减速比关节在机器人跳跃着地后具有更好的反向驱动能力，可有效减少机器人受到的地面冲击，帮助机器人更快达到平衡。

此前，研究人员设计了多种可变机构以实现特定目标，包括重现人体复杂运动、提高结构强度、优化质量分布和降低能耗等。其中，一些研究设计了不同的可变减速比关节机构，并基于这些机构进行了动态运动实验。但这些设计存在结构冗余问题，导致重量增加、可控性降低，不利于跑步和跳跃等动态运动。因此，设计一种轻量化、稳定性好且可控性高的关节机构十分必要。

2. 滚珠丝杠 - 推杆机构实现的可变减速比关节腿部机构

为了在起跳阶段充分利用电机能力，并使关节在着地时具有良好的反向驱动能力，我们设计了一种可变减速比关节机构。

与传统机器人由关节处电机直接驱动的关节不同，人体关节运动并非由简单的关节力驱动，而是涉及骨骼、肌肉和韧带的复杂协调运动，其中肌肉的伸缩提供