脊柱型四足机器人能量自循环及结构、运动参数优化研究

四足哺乳动物脊柱的弯曲变形在生物运动过程中具有提高运功速度、作用力和能效的作用。受此启发，为实现四足机器人高运动速度、高能效的运动，将柔性脊柱环节引入到四足机器人的结构中，基于子结构分解法开展脊柱型四足机器人系统动力学模型研究，分析具有髋关节约束的单腿子系统的动力学特性以及子系统间的耦合作用关系。在此基础上，通过建立给定步态下机器人高速运动的多自由度振动等效模型，研究等效模型模态振动的动力学特性，进而研究机器人各子系统内部以及子系统间的能量流动方向与延时传递等振荡特性，揭示机器人系统的能量自循环机理。通过对影响系统运动性能的关键因素的分析，开展针对提高机器人能效和行走速度的结构与运动参数优化研究。为实现四足机器人的高速、高能效运动奠定理论基础。

很多足类动物使用脊柱为运动提供额外的动力和灵活性。通过脊柱型四足机器人跳跃步态的研究有益于进一步明晰脊柱作用机理，对机器人高速奔跑的研究具有重要意义。.报告首先进行了四足动物步态和脊柱运动的特点分析，确定了带脊柱的四足机器人的跳跃步态作为研究对象，从SLIP模型分析出发，建立了能够满足分析需求的简化模型及相应的动力学方程。.文中采用庞加莱映射与牛顿-拉夫逊法，对被动跳跃步态稳定不动点搜索方法进行了讨论，分析了四足机器人平面模型各子系统内部及子系统间的能量流动及弹性势能储能情况，为机器人以高能效为目标的被动行走分析和基于能量分析的控制方法提供理论基础。.为满足高能效、高加速度和着地相更精确速度控制的控制目标，文中同时分析了平面模型广义力对系统控制目标的影响。肯定了脊柱环节引入对机器人速度峰值的提高作用。建立了新的四足机器人跳跃步态水平速度、跳跃高度及俯仰角控制方法。提出了“变肩髋距的脊柱控制策略”，为机器人脊柱的实际控制提供一种的解决方案。并搭建了四足机器人仿真平台，验证了以上结论。.为进一步实现四足机器人奔跑步态下的稳定运动控制，以SLIP模型作为低维运动空间的主要研究对象，以动力学解析化描述和高维非线性系统降维为主线，深入开展基于SLIP等效模型的足式机器人动步态控制方法研究。解决了低维度SLIP模型与高维机器人系统间控制模式转化的核心问题。以此为基础提出了一套完整的等效模型的层次化运动控制架构：在规划层由SLIP简化模型根据机器人与环境交互信息反馈在线生成质心的期望运动轨迹；在执行层通过任务空间的控制模式映射实现对机器人具体关节的控制。在算法应用层，分别针对典型的足式机器人设计基于任务空间的单、多目标层次化运动控制算法，实现了四足机器人奔跑步态下的稳定运动控制。.