考虑脚掌转动的跳跃机器人动力学与轨迹规划

胡胜海，徐鹏，邓坤秀，郭彬

(哈尔滨工程大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨150001)

随着机器人研究领域向地形复杂化、环境非结构化、任务自主化的方向扩展，要求机器人具有更强的自主性、自治性、移动性和地形适应性.在这些新的任务和形势下，相比轮式或履带式机器人，腿式跳跃机器人将越发受到重视［1］.最早的跳跃机器人模型是由Raibert等研制的弹性负载倒立摆模型，即SLIP模型［2］，随后的跳跃机器人的研究大多是基于SLIP模型.众所周知，SLIP模型假定系统质心位置始终保持在股关节上，而这与自然界中动物关节腿生物学特征不符.近年来，研究者正试图研制能够很好地体现动物跳跃运动原理的多关节腿式模型［3-5］.但是这些机器人在建立动力学模型时都很少考虑脚掌的转动对跳跃运动的影响.

本文研制了一种由旋转关节组成的单腿平面跳跃机器人.脚掌与地面的柔顺关系设计为弹簧-阻尼模型.在存在脚掌转动的起跳相和落地相，由于足尖与地面的接触存在被动自由度，机器人模型变为欠驱动的.基于跳跃机器人等价的二连杆模型进行了跳跃运动轨迹规划，并给出了一个期望轨迹与实际轨迹非线性误差最小化的曲线方程.

1 机器人结构与跳跃运动序列

双关节跳跃机器人是一个具有2个主动关节的腿型机器人，如图1所示.机器人由3个均质连杆组成，分别为脚掌、小腿和大腿.脚掌的自由端为足尖，连接脚掌和小腿的关节是踝关……