● 摘要
足式移动机器人是当下比较热点的研究方向，它在地面适应性等方面相比轮式移动机器人具有出突出的优点，能取代人工在复杂的环境下（如核电、地震救灾、战争）等完成必要的工作。本论文源自“四足仿生机器人环境感知与步态规划关键技术研究”课题，围绕四足机器人腿部机构构型、四足机器人运动学、机械结构设计和运动规划仿真等多方面展开深入研究。本论文的具体研究内容如下： 1) 针对腿部机构的研究。现阶段已经设计出的多种腿部机构可以划分为闭链式腿部机构和开链式腿部机构。闭链式腿部机构关节驱动器一般安装在机架上，这样能有效减少腿部运动部件的转动惯量，同时它的刚性较好，但闭链式腿部机构结构较为复杂，足端运动轨迹范围有限；开链式腿部机构结构简单，足端运动范围大，但其对关节驱动器的性能和步态控制精度的要求比较高。通过枚举法对四足机器人的腿部机构进行了分析研究，并应用旋量理论对一种特殊的开链式腿部机构进行了运动特性和自由度分析。2) 针对机体运动学的研究。一般四足机器人运动学问题主要是指腿部运动学研究，传统的计算方法是建立DH坐标模型，在DH建模过程中容易出现坐标建立错误而导致的数学模型错误，本文应用旋量理论中的POE公式对腿部运动学进行研究并将结果与传统的DH法建模结果进行了对照，然后又将四足机器人看作并联机构对机体运动学进行了研究，推导出机体运动的正向和逆向运动学公式。3) 针对运动规划与仿真的研究。仿生四足机器人的运动规划包括步态、轨迹规划和动平台运动规划。本文一方面针对一种静态的三角步态做了简单的规划与仿真，另一方面提出把仿生四足机器人当作移动式并联平台，对于动平台的运动进行了规划和仿真。4) 仿生四足机器人的零部件机械设计。为了减轻腿部接触地面的冲击，在小腿部分设计了弹性缓冲模块，同时可以利用这个直线自由度来测量足端压力，其原理是应用直线位移传感器测量足端压缩的位移量，再乘以弹簧的弹性系数得到足端接触力。对设计零件进行了截面尺寸的优化，满足所需的刚度要求的情况下，机器人运动更加灵活。最后，针对样机进行了运动能力实验测试，并对仿生四足机器人的工作空间进行了描述。如今，四足移动机器人在国防、抢险救灾等特殊任务中越来越多的得到应用。无论从国防还是民生角度考虑，研制具有高性能的四足移动机器人是必要而迫切的。关键词：四足机器人，腿部机构构型综合，运动学，结构设计，运动规划及仿真
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