【摘 要】
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足式机器人是机器人领域的重要分支,而四足机器人因其运动的快速性、稳定性好、对地形的适应性强等优点,更是足式机器人领域研究的热点。随着四足机器人技术的快速发展,在追求机器人运动速度提升的同时,对摩擦、冲击、能耗等机器人运动特性也有了更深入研究。本文基于对生物狗的仿生学研究,设计一种四足机器人腿部结构,并以其为研究对象进行结构优化,以提升机器人腿部运动性能;从落地回摆这一自然界普遍现象入手,探讨落地回
【基金项目】
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智能机器人与系统高精尖创新中心（北京理工大学）项目名称:柔性脊柱型四足机器人多步态下的肢体机构协调机理及运动控制方法,项目编号:2019IRS18
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足式机器人是机器人领域的重要分支,而四足机器人因其运动的快速性、稳定性好、对地形的适应性强等优点,更是足式机器人领域研究的热点。随着四足机器人技术的快速发展,在追求机器人运动速度提升的同时,对摩擦、冲击、能耗等机器人运动特性也有了更深入研究。本文基于对生物狗的仿生学研究,设计一种四足机器人腿部结构,并以其为研究对象进行结构优化,以提升机器人腿部运动性能;从落地回摆这一自然界普遍现象入手,探讨落地回摆与机器人运动特性的内在关系,从而通过足端轨迹的优化来改善机器人的运动特性表现。本文的主要工作如下:（1）通过运动捕捉实验研究了生物狗的生理结构与关节运动特性,并以此为基础设计了一种四足机器人腿部结构。初步整定腿部的各项结构参数,建立数学模型。以增大腿部工作空间、降低关节峰值力矩为目标,通过Matlab数值计算的方式进行腿部结构的尺寸优化;以降低静态变形、提升固有频率为目标,通过Workbench仿真分析的方式进行腿部结构的拓扑优化,得到优化后的四足机器人腿部结构。（2）从自然界普遍存在的落地回摆现象入手,针对设计的腿部结构,推导一般化弹簧负载倒立摆模型,并建立落地回摆的数学模型,通过理论推导结合Adams运动仿真的方式探讨其与摩擦、冲击、能耗这三个运动特性的定量关系,并可通过腿部足端轨迹的优化来改善上述四足机器人的运动特性。（3）加工并装配结构优化前、后两套腿部样机,搭建测试平台与控制系统。通过关节电机的电流/力矩标定实验得到电流与力矩的定量关系;通过腿部的运动实验采集关节位置、关节力矩与足端接触力数据并加以分析,对腿部结构优化的合理性与有效性进行实验验证。本文的研究成果在提升四足机器人腿部性能与运动特性方面有很好的效果与实用价值,对四足机器人的结构设计、结构优化、运动优化也提供了一定参考。
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