机器人技术正深刻改变着众多行业，并在日常生活中发挥着日益重要的作用。作为机器人技术的一个重要分支，腿式机器人因其能模仿人类或动物的运动方式，在复杂环境中展现出卓越的机动性和可操作性，而备受关注。
然而，当前多数腿式机器人采用的多电机驱动方案增加了控制系统的复杂性，带来了技术上的重大挑战。同时，许多腿式机器人的膝关节结构采用单一旋转副设计，导致行走步态僵硬，且难以有效吸收冲击载荷，影响了运动的流畅性和稳定性。因此，研发更具适应性的关节结构，并简化控制系统，以提升腿式机器人行走的流畅性和可靠性，成为该领域当前研究的关键方向和迫切任务。
▍摆脱关节电机依赖，提出新型仿生腿式机器人
针对这一问题，来自长春工业大学的孙建伟教授研究团队进行了深入研究，并于近期取得新突破。该研究团队受人体腿部骨骼-肌肉系统的形态结构和运动机理启发，结合骨骼的简化整合方法以及肌肉等效替换原则，提出了一种基于张拉整体结构的仿生腿式机器人结构。
该结构通过分离滚动与滑动的设计，复现了人体膝关节的可变瞬时旋转中心功能，并展现出在步态相似性与减振方面的潜力。它综合了张拉单元的大变形、自恢复能力与四杆机构的死点锁定功能，以及类似人体肌肉系统的缆绳解锁机制，可在无膝关节电机的前提下，仅利用足部与地面的接触便完成膝关节顺应-刚性-顺应的原位切换。这一创新打破了传统腿式机器人对关节电机的依赖，仅需髋关节布置的单个DC电机与基础的控制程序，即可流畅完成单腿的完整步态周期。
目前，该研究成果的相关论文已以“Legged Robot with Tensegrity Feature Bionic Knee Joint”为题发表在《ADVANCED SCIENCE》上，主要作者包括长春工业大学机械工程专业硕士研究生文琦、副教授张美玲和教授孙建伟，副教授张美玲为通讯作者。
▍仿生腿式机器人设计与实现
在研究过程中，团队基于人体腿部骨骼系统的运动机理，采用简化和等效替换原则，建立了骨骼系统的机构映射模型（图1a）。具体而言，他们将胫骨和腓骨合并为一块骨骼，并提取腿部起主要作用的四个肌肉束。鉴于膝关节屈伸运动包含滚动和滑动的复合动作，展现出可变瞬时旋转中心的特性，团队通过分离滚动与滑动实现了这一功能（图1b）。
图1 仿生腿式机器人设计策略
同时，由于张拉单元存在较多冗余自由度且运动范围较大，难以与腿部运动匹配（图1c），研究团队受膝关节运动特性启发，在两杆四索结构中加入限位单元以约束冗余自由度，确保实现目标运动（图1d）。此外，他们还模仿人体行走时肌肉与韧带的耦合特性，设计了一种基于缆索的联动解锁机制（图1e）。该机制通过缆绳将机械足弹出产生的力矩传递到锁定机构，实现了腿式机器人的自动解锁与自恢复能力。
图2仿生膝关节性能验证
为实现仿生膝关节的自稳定与自恢复功能，研究团队还在设计中引入了张拉整体结构理念。图2a展示了标准Snelson-X型张拉单元的性能特点，该单元在无外力载荷作用下及单点外部载荷作用下均表现出良好的自稳定能力，同时在载荷加载过程中展现出柔顺的响应特性。在此基础上，研究团队设计的仿生膝关节腿式结构（见图2b）成功保留了独立张拉单元的自稳定与自恢复性能，这一设计在功能上实现了显著提升。
为了验证该膝关节的固有功能，研究团队搭建了实验台，并对其顺应屈曲-伸展锁定功能进行了严格测试（见图2c）。据测试结果显示，该仿生膝关节机构采用了快速机械自锁设计，这一设计使得膝关节在伸展运动中能够迅速且准确地从柔顺状态转换为刚性状态。该设计不仅响应速度高，而且转变过程极为迅速，延迟极低，从而赋予了膝关节快速调整刚度的能力，显著增强了机器人的支撑性能。
此外，研究团队还进一步测试了仿生膝关节在伸展锁定状态下的承载能力（见图2d），以全面评估其性能表现。为了深入探索这种新型膝关节结构在行走、奔跑等运动过程中的减振潜力，研究团队结合振动平台，分别对传统转动副膝关节与张拉膝关节进行了对比实验（见图2e）。通过这一系列实验，研究团队期望能够更全面地了解新型膝关节在实际应用中的性能优势，为未来的相关研究提供有力参考。
▍仿生膝关节在行走运动中的应用潜能测试
在行走运动的应用潜能测试中，研究团队利用绳驱动方案的高柔顺性、快速响应特点，开发了一种基于绳缆的自动解锁机制（图3a）。该解锁机制具有储能状态和释能状态两种状态。在储能状态下，膝关节两侧的四连杆机构以能量存储状态锁定，伸缩足机构纵向压缩促使串联的绳缆松弛。在释能状态下，伸缩足垂直弹出拉紧绳缆使四杆机构快速脱离死点位置，进而解除锁定（图3b）。
为验证腿式机器人能够利用单个驱动电机实现连续行走能力及其在蹬地时膝关节的高速响应能力，研究团队进行了单腿连续性行走的测试（图3c）。此外，他们还利用试验台与i-SPEEDTR高速摄像机对腿式机器人膝关节处的微小滑移量进行了标定（图3d），复现了人体膝关节的微小滑移动作，进而实现其可变瞬时旋转中心功能。
图3 行走模式下腿式机器人功能验证
为进一步提高实验的客观性，并更精确地模拟人类行走动作和步态，研究团队在固定平台上进行了机器人的行走实验（图4a）。基于Mendez对不同场景下足部运动轨迹的分析，团队选取了统一的步态周期，并利用3D捕捉系统获取了机器人足端的运动轨迹（图4b）。实验结果显示，机器人行走步态的流畅性和均匀性得到了清晰反映，闭合的橙色曲线充分证明了这一点。
此外，研究团队还通过调整输入端的脉冲宽度调制（PWM）值，改变了实验的步频，以测量其对腿部机器人地面反作用力（GRF）的影响（见图4c）。实验结果表明，各组实验中推离速度的差异较小，这进一步验证了腿部机器人行走特性的稳定性。同时，这些结果也表明，腿部机器人的行走特征与人类步态具有高度相似性（见图4d）。
图4 仿人步态一致性验证
为了进一步评估机器人的功能表现，研究团队还开发了一种实验平台，该平台融合了腿式机器人对多地形的适应能力与车辆的携载能力（图5a）。同时，在相同的实验条件下，团队也采集了人体标准步态信息，以进行对照分析。实验过程和人体数据采集的结果分别如图5b和图5c～f所示。
图5 基于开放式双足行走平台的功能性验证
在机器人行走过程中，研究团队采集了多组不同步频条件下的地面反作用力（GRF）、足底压力中心（COP）、髋关节角度以及膝关节角度数据（图5g～j）。实验结果表明，GRF曲线呈现出典型的双峰模式（图5g），这反映了行走过程中脚跟触地和脚尖离地时的力变化特征。此外，研究团队还通过对比分析高步频和低步频条件下机器人的GRF、COP、大腿角度及膝关节角度的差异性（见图5k～n），进一步验证了机器人在不同步频下的运动特性和与人类步态的相似性。
参考文章：
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202411351
（文：机器人大讲堂）