13、双关节驱动在机器人系统中的应用

双关节驱动在机器人系统中的应用

1. 引言

在生物学中，双关节肌肉是指跨越两个关节的肌肉，比如跨越膝关节和踝关节的腓肠肌。许多研究人员对双关节肌肉在人类运动中的功能进行了广泛研究，但这些功能仍不明确。其中一个功能是将机械能从近端传输到远端，这一传输过程能有效地将身体各节段的旋转运动转化为身体重心的平移。实现这一转化的机制是在运动的爆发阶段结束前及时激活双关节肌肉。

以腓肠肌为例，在人类跳跃的蹬地阶段，膝关节伸肌做正功使膝关节迅速伸展。若腓肠肌等长收缩（长度不变），由于腓肠肌的作用，踝关节会产生额外的机械功，而它本身并不做功。膝关节伸肌产生的部分能量会以机械功的形式出现在踝关节，从而显著增加跳跃高度。不过，腓肠肌激活的时机对达到最大效果至关重要。

此外，腓肠肌通过弹性肌腱与足部相连，肌肉纤维和肌腱的弹性在提高人类运动的有效性和效率方面起着重要作用。弹性组织能在拉伸时储存弹性势能，并在之后以机械功的形式释放。在肌肉 - 肌腱复合体的自然频率下进行的振荡运动可以使运动表现最大化。

如今的人形机器人下肢大多是具有简单旋转关节的串联机构，由电动伺服驱动器直接或间接驱动。这种设计使得机器人关节只能进行旋转运动，机器人重心的平移完全依赖于关节旋转到重心平移的转换。在快速奔跑或跳跃等弹道运动中，这种转换存在局限性，关节伸展程度越大，下肢各节段的角运动向机器人重心期望平移运动的转换就越不有效。

2. 双关节肌肉在人类跳跃中的作用

垂直跳跃是一项复杂的任务，需要跳跃者身体各节段快速协调配合，包括蹬地、飞行和着陆阶段。跳跃效率的主要标准是跳跃高度，它取决于双脚离地瞬间跳跃者重心的速度。在蹬地阶段，肌肉的任务是将身体重心垂直加速到伸展位置，