● 摘要
近年来，随着仿生机器人技术的发展，传统的刚性腿式机器人在速度、能量效率、越障性等方面已远远不能满足实际的作业需求。因此，基于仿生学原理（生物学弹簧）的快速奔跑或跳跃机器人受到国内外众多研究机构的青睐。从上世纪80年代初至今，已有各式各样的柔性腿式机器人被研制出来。从结构设计角度来讲，对于此类机器人的设计侧重于功能实现。即无论是采用压缩气体、螺旋弹簧或柔性机构实现腿部柔性，基本原理都是利用弹性体的储能及瞬间释放特性实现高速、高能效运动。然而，对于设计者来讲，很少关注柔性腿式机器人的速度、能量效率与柔性腿的刚度大小、柔性分布、地面摩擦及柔性腿自身的振动间的关系。基于此，本论文从以下五部分展开研究：（1）按照腿部柔性实现方式的不同，将柔性腿式机器人分为压缩气体式、螺旋弹簧式和柔性机构式三种类型；针对每种类型中具有代表性的柔性腿机械结构及机器人的整体动态性能做了深入剖析；分析了不同种类柔性腿的优缺点并对上述典型机器人的速度、能量效率等指标做了定量对比；得出了柔性腿机器人的总体发展趋势。进而分析了影响柔性腿式机器人设计的若干重要因素，在此基础上，提出了本文所要解决的科学问题。（2）采用无量纲化参数的表征方法，基于“弹簧-质量倒立摆”模型，建立了柔性腿式机器人的运动方程，对其整体运动过程进行分析；得出了机体质心位移及地面作用力变化规律；研究了使机器人实现被动运动所需的腿部弹簧刚度与初始触地角度、水平速度、竖直速度间的关系。为进一步提高能量效率，对于考虑臀关节柔性的“弹簧-质量倒立摆”模型，分别建立着地相和腾空相的运动方程；求得了实现被动的周期性运动所需腿部弹簧刚度、臀关节扭簧刚度及机器人各参数的初始值。进而分析了机体和柔性腿转动惯量的不同比值对其被动运动过程的影响。对当前几种改进的“弹簧-质量倒立摆”模型做了简要分析，提出了当前柔性腿机器人动力学建模中普遍存在的问题。（3）基于“弹簧-质量倒立摆”模型中存在的问题，对目前研究较为集中的柔性机构式柔性腿机器人的碰撞过程进行研究。以分布式、直簧片形柔性腿作为此类机器人的简化情形，考虑柔性腿末端与地面间的摩擦、滑动、柔性腿自身的振动及分布式柔性等特点，采用拉格朗日法建立了机器人碰撞过程的动力学方程并采用数值方法求解；分析了碰撞过程中地面接触力的变化；研究了不同材料、截面宽度、厚度、初始碰撞角度等对碰撞后机体的速度及碰撞过程中机器人的能量损失率影响。同时，采用显式动力学分析软件LS-DYNA验证了模型的准确性。（4）基于直簧片形柔性腿式机器人碰撞过程分析方法的准确性，对于几何不连续形状的“