同时考虑末端、构态和输入输出关联特征的六足机器人拓扑综合

Industry robots are generally multi-output systems with single end-effector, currently there are some mature type synthesis methods, such as Lie group, theory of screw and GF set theory. On the other hand, legged robots are multi-output systems with multi end-effectors, which include the body and several legs, currently there is no applicable type synthesis methods. This project will investigate a new type synthesis method for hexapod robots based on the behavior characteristics, including end-effector, topology and input-output association. By considering the principle of bionics, this project will establish the classification and expression methods of end-effector, topology and input-output association; construct a type synthesis method for hexapod robot based on the behavior characteristics; invent new mechanisms of hexapod robots and select some practical designs. This study proposes a logical type synthesis method based on the end-effector, topology and input-output association characteristics, providing theoretical and practical methods for the invention of legged robots.

工业机器人一般是单末端多输出的机构，国际上目前有较为成熟的拓扑综合方法，比如Lie群、螺旋理论、GF集理论等。而腿式机器人是多末端多输出的机构，其末端输出包括身体和若干条腿，目前国际上并没有成熟的拓扑综合方法。本项目将研究一种同时考虑末端、构态、输入输出关联关系这三种行为特征的六足步行机器人的拓扑综合方法。通过利用仿生学原理，提出末端、构态、输入输出关联关系三种行为特征的分类和表达方法，建立将三种行为特征相耦合设计六足步行机器人构型的方法，发明出具备不同功能的新型六足步行机器人的机构，筛选出实用的六足步行机器人的新构型。本项目研究的意义在于提出了一个考虑末端特征，构态特征和输入输出关联关系特征的具有逻辑推理的六足机器人的拓扑综合方法，为步行机器人的发明提供理论和实用方法。

针对六足机器人机构设计的拓扑综合，本项目通过同时考虑末端、构态、输入输出关联关系这三种行为特征，构建了机械腿构型知识库并完成了六足机器人的设计、制造和实验验证。主要研究内容包括：利用GF集理论，根据身体末端特征的不同维度，建立了足式机器人的身体末端的数学表达和分类方式；利用集合理论构建了六足机器人构态特征的表达和分类，并分析了不同构态特征的特点以及应用场景；利用影响关系矩阵建立了机器人的输入输出关联关系；构建了包含4类51种机械腿构型的知识库并分析不同构型的特点和应用范围；设计并制造出2台具有不同末端特征的六足机器人样机；以2台六足机器人样机为平台，进行了上下楼梯、避障、踏障、开门等单一任务和连续任务等，验证了样机的性能和潜在利用场景。该项目的理论成果可以为未来足式机器人的设计提供技术支撑基础。研制出的六足机器人未来可以用于安防，消防，工业生产等领域。