变刚度四足机器人的连续型仿生脊柱设计

为提高四足机器人面对广域地形环境的机动性和适应性,设计一种可变刚度的连续型仿生脊柱。采用金属构件作为脊柱的连接件和支撑件,模拟猎豹的脊柱骨架;使用钢丝绳传动作为主动力驱动,模拟生物肌肉纤维的发力;在脊柱板之间设置不同刚度的弹簧模拟肌腱的储能与释能功能。通过建立静力学模型研究负载及绳驱动拉力对脊柱的影响。研究结果表明:采用的连续型构型为四足机器人躯干在上下弯曲方向提供了灵活性,并使负载施加的力沿脊柱方向分散,减小脊柱的损耗;脊柱可以实现躯干部分整体弯曲与回复,最大弯曲角度达到25°。变力恒载实验中,0 kg和30 kg负载下,仿真结果和实验结果的模型末端位置相对误差分别为2.71%和4.00%;恒力变载实验中,750 N和1400 N拉力下,仿真结果和实验结果的模型末端位置相对误差分别为4.25%和2.79%。脊柱的响应频率可以达到1.62 Hz,变刚度试验测得的等效弯曲刚度范围为4.70~51.36 N/mm,最大负载为334.9 N,可以满足四足仿生机器人在广域地形的应用需求。

四足机器人刚柔耦合仿生脊柱研究进展

四足机器人的仿生脊柱对提高机器人非结构化环境的机动性和稳定性具有重要作用。系统分析了国内外四足机器人仿生脊柱的研究现状,将仿生脊柱分为局部柔顺脊柱和整体柔顺脊柱两类,对比分析不同四足机器人仿生脊柱的结构特点,提出未来发展趋势。四足机器人仿生脊柱从传统的整体刚性结构向刚柔耦合结构方向发展,具有类生物变刚度、可柔顺弯曲特性的新型仿生脊柱突破仿生驱动、神经元精细控制等关键技术,向高效能量转换的类生物系统方向发展。