沈 双 雷静桃 张悦文

上海大学机电工程与自动化学院，上海，200444

0 引言

腿式机器人的跳跃运动只需离散的单点支撑，具有仿生离散运动步态特征[1]。为提高机器人离散运动步态的机动性和灵活性，机器人关节应实现大驱动力矩和高驱动速度[2]。

近年来，学者发现在驱动元件和关节之间添加弹性装置，能有效改善驱动元件输出特性，提高能量利用效率[3]。在执行器与负载之间增加弹性元件，能减小系统刚度，获得较小的输出阻抗和良好的被动柔顺性，并能储存能量、放大峰值输出功率[4]。文献[4-6]设计出串联弹性驱动器 (series elastic actuators，SEA)，开发了液压和电机驱动的SEA，并在腿式机器人Spring Flamingo上验证了其优越的性能[7]。HUTTER等[8]将SEA结构引入仿生跳跃腿ScarlETH，通过增大SEA弹簧的压缩范围来储存更多的能量[9]。马洪文等[10-11]分析了SEA能量放大特性与弹性元件刚度的变化规律。CHEN等[12]将低刚度螺旋弹簧和高刚度扭转弹簧串联，使SEA关节能呈现出不同的刚度特性。HALDANE等[13]研发了小型单腿连续跳跃机器人Salto，采用无刷电机串联平面扭簧构成的串联弹性驱动结构进行功率调制[14]，其升级版Salto-1P[15]的跳跃高度达1.252m，能实现长时间的连续稳定跳跃[16]。吴伟男等[17]在弹跳腿膝踝关节中嵌入弹簧，构成SEA关节，实现着地时的能量存储和离地时的能量释放。

上述学者主要采用电机、液压缸、气缸等部件构造串联弹性驱动器，驱动腿关节。电机驱动复杂的传动装置、液压驱动笨重的动力系统均使跳跃机器人难以实现轻量化、小型化。……