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。