疾馳仿生四足機(jī)器人動(dòng)力學(xué)與疾馳機(jī)理.pdf

1、疾馳步態(tài)作為四足哺乳動(dòng)物及仿生四足機(jī)器人研究領(lǐng)域的重要組成部分，越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的關(guān)注。現(xiàn)如今仿生四足機(jī)器人的研究正逐漸向高靈活性、高移動(dòng)速度的方向發(fā)展，而現(xiàn)有四足機(jī)器人的研究熱點(diǎn)主要集中于中、低速運(yùn)動(dòng)步態(tài)，若進(jìn)一步提高四足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度，拓展其應(yīng)用范圍，采用中、低速運(yùn)動(dòng)步態(tài)進(jìn)行研究終究會(huì)遇到瓶頸。四足哺乳動(dòng)物在中、低速區(qū)間有唯一確定的運(yùn)動(dòng)步態(tài)模式，而在高速運(yùn)動(dòng)區(qū)間存在疾馳步態(tài)的運(yùn)動(dòng)模式分化，因此，分別對(duì)適合于不同類型四足哺乳

2、動(dòng)物疾馳步態(tài)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)及疾馳機(jī)理進(jìn)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(dòng)物的生物形態(tài)特征、解剖學(xué)特征及運(yùn)動(dòng)特征為為參照，針對(duì)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(dòng)力學(xué)模型；提出了疾馳動(dòng)力學(xué)模型周期不動(dòng)點(diǎn)搜索策略；分別研究了兩類疾馳步態(tài)的內(nèi)在疾馳機(jī)理，并同時(shí)對(duì)兩類疾馳步態(tài)進(jìn)行了無(wú)量綱模型構(gòu)建和綜合性能分析；基于真實(shí)四足動(dòng)物在疾馳步態(tài)中所呈現(xiàn)出的軀干運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)及其多關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)機(jī)理，構(gòu)建了具有仿生彈性脊

3、椎關(guān)節(jié)的四足疾馳機(jī)器人，并通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)對(duì)關(guān)鍵疾馳機(jī)理進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　以自然界中四足哺乳動(dòng)物采用Transverse Gallop步態(tài)及Rotary Gallop步態(tài)的典型動(dòng)物（馬和獵豹）為生物學(xué)參照，分別建立了描述兩類疾馳步態(tài)的四足疾馳動(dòng)力學(xué)模型。馬的軀干等效為剛性軀干，腿部在疾馳運(yùn)動(dòng)中等效為線性彈性元件。針對(duì)獵豹的軀干在疾馳中具有大幅度蜷曲與伸展運(yùn)動(dòng)，并且具有高爆發(fā)力的特點(diǎn)，建立了具有主動(dòng)驅(qū)動(dòng)單元的關(guān)節(jié)腿和具有彈性脊椎關(guān)節(jié)

4、的軀干的動(dòng)力學(xué)模型。
　　基于Transverse Gallop步態(tài)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)其疾馳性能及疾馳機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)研究。根據(jù)馬動(dòng)力學(xué)模型的對(duì)稱性特點(diǎn)，提出了高效的龐加萊不動(dòng)點(diǎn)搜索策略，并通過(guò)設(shè)定不同初始運(yùn)動(dòng)狀態(tài)量及不同運(yùn)動(dòng)參數(shù)，在已獲得周期不動(dòng)點(diǎn)的前提下對(duì)疾馳運(yùn)動(dòng)參數(shù)與疾馳性能之間的規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)分析，揭示了Transverse Gallop步態(tài)的俯仰角速度動(dòng)力學(xué)特性。
　　在已獲得Rotary Gallop步態(tài)周期不動(dòng)點(diǎn)的基礎(chǔ)上

5、對(duì)獵豹的疾馳機(jī)理進(jìn)行了分析。基于獵豹的動(dòng)力學(xué)模型的特點(diǎn)，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(dòng)點(diǎn)搜索難度。在此基礎(chǔ)上，對(duì)疾馳過(guò)程中影響疾馳性能的運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)性分析。分析結(jié)果除了能深入理解脊椎關(guān)節(jié)對(duì)疾馳性能的作用規(guī)律及運(yùn)動(dòng)參數(shù)在疾馳過(guò)程中的影響，還可對(duì)設(shè)計(jì)仿生獵豹機(jī)器人提供理論指導(dǎo)和設(shè)計(jì)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(jìn)行綜合性能分析，引入了動(dòng)物學(xué)家在研究不同種類四足動(dòng)物步態(tài)中廣泛采用的無(wú)量綱化

6、分析法。基于該方法得到了疾馳步態(tài)的無(wú)量綱動(dòng)力學(xué)模型，并分別從矢狀面軀體形態(tài)比例及無(wú)量綱水平運(yùn)動(dòng)速度方面對(duì)兩類疾馳步態(tài)的疾馳性能的關(guān)鍵評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行了綜合對(duì)比分析，得到了兩類疾馳步態(tài)適合的應(yīng)用場(chǎng)合，為設(shè)計(jì)針對(duì)性應(yīng)用場(chǎng)合的疾馳步態(tài)四足機(jī)器人提供了理論依據(jù)。
　　最后，為驗(yàn)證關(guān)鍵疾馳機(jī)理的正確性，開發(fā)了具有彈性脊椎關(guān)節(jié)的疾馳仿生四足機(jī)器人SQBot。該機(jī)器人具有鎖止-解鎖機(jī)制的彈性脊椎關(guān)節(jié)和適合于高頻率擺動(dòng)的慣量集中式仿生腿?；谥袠心Ｊ?/p>