疾馳仿生四足機器人動力學與疾馳機理.pdf

1、疾馳步態(tài)作為四足哺乳動物及仿生四足機器人研究領域的重要組成部分，越來越受到國內(nèi)外研究學者的關注?，F(xiàn)如今仿生四足機器人的研究正逐漸向高靈活性、高移動速度的方向發(fā)展，而現(xiàn)有四足機器人的研究熱點主要集中于中、低速運動步態(tài)，若進一步提高四足機器人的運動速度，拓展其應用范圍，采用中、低速運動步態(tài)進行研究終究會遇到瓶頸。四足哺乳動物在中、低速區(qū)間有唯一確定的運動步態(tài)模式，而在高速運動區(qū)間存在疾馳步態(tài)的運動模式分化，因此，分別對適合于不同類型四足哺乳

2、動物疾馳步態(tài)的運動特點及疾馳機理進行深入分析具有重要意義。
　　本文以兩種不同疾馳步態(tài)的代表性動物的生物形態(tài)特征、解剖學特征及運動特征為為參照，針對疾馳理論模型的缺失分別建立了描述兩種類型疾馳步態(tài)的動力學模型；提出了疾馳動力學模型周期不動點搜索策略；分別研究了兩類疾馳步態(tài)的內(nèi)在疾馳機理，并同時對兩類疾馳步態(tài)進行了無量綱模型構建和綜合性能分析；基于真實四足動物在疾馳步態(tài)中所呈現(xiàn)出的軀干運動特點及其多關節(jié)協(xié)調(diào)機理，構建了具有仿生彈性脊

3、椎關節(jié)的四足疾馳機器人，并通過物理實驗對關鍵疾馳機理進行了實驗驗證。
　　以自然界中四足哺乳動物采用Transverse Gallop步態(tài)及Rotary Gallop步態(tài)的典型動物（馬和獵豹）為生物學參照，分別建立了描述兩類疾馳步態(tài)的四足疾馳動力學模型。馬的軀干等效為剛性軀干，腿部在疾馳運動中等效為線性彈性元件。針對獵豹的軀干在疾馳中具有大幅度蜷曲與伸展運動，并且具有高爆發(fā)力的特點，建立了具有主動驅(qū)動單元的關節(jié)腿和具有彈性脊椎關節(jié)

4、的軀干的動力學模型。
　　基于Transverse Gallop步態(tài)動力學模型對其疾馳性能及疾馳機理進行系統(tǒng)研究。根據(jù)馬動力學模型的對稱性特點，提出了高效的龐加萊不動點搜索策略，并通過設定不同初始運動狀態(tài)量及不同運動參數(shù)，在已獲得周期不動點的前提下對疾馳運動參數(shù)與疾馳性能之間的規(guī)律進行了系統(tǒng)分析，揭示了Transverse Gallop步態(tài)的俯仰角速度動力學特性。
　　在已獲得Rotary Gallop步態(tài)周期不動點的基礎上

5、對獵豹的疾馳機理進行了分析。基于獵豹的動力學模型的特點，提出了分步式降維步態(tài)搜索策略，降低了高維度龐加萊不動點搜索難度。在此基礎上，對疾馳過程中影響疾馳性能的運動參數(shù)進行了系統(tǒng)性分析。分析結果除了能深入理解脊椎關節(jié)對疾馳性能的作用規(guī)律及運動參數(shù)在疾馳過程中的影響，還可對設計仿生獵豹機器人提供理論指導和設計依據(jù)。
　　為將兩種類型疾馳步態(tài)置于統(tǒng)一的分析框架進行綜合性能分析，引入了動物學家在研究不同種類四足動物步態(tài)中廣泛采用的無量綱化

6、分析法?；谠摲椒ǖ玫搅思柴Y步態(tài)的無量綱動力學模型，并分別從矢狀面軀體形態(tài)比例及無量綱水平運動速度方面對兩類疾馳步態(tài)的疾馳性能的關鍵評估指標進行了綜合對比分析，得到了兩類疾馳步態(tài)適合的應用場合，為設計針對性應用場合的疾馳步態(tài)四足機器人提供了理論依據(jù)。
　　最后，為驗證關鍵疾馳機理的正確性，開發(fā)了具有彈性脊椎關節(jié)的疾馳仿生四足機器人SQBot。該機器人具有鎖止-解鎖機制的彈性脊椎關節(jié)和適合于高頻率擺動的慣量集中式仿生腿?；谥袠心Ｊ?/p>