四足機器人柔性脊柱的設計及分析

雷成林，譚躍剛，黃林考，陶紅武

(武漢理工大學 機電工程學院，湖北 武漢 430070)

四足機器人在非結構環境下的高適應性和靈活運動特性，使其在某些特殊場合具有重要的應用和研究意義，如地震或火災救援、野外軍事支持、戶內家庭服務和教育娛樂等，四足機器人也因此成為機器人研究領域的熱點[1-3]。當前，四足機器人的研究多數圍繞機體為剛性的四足機器人展開，研究內容主要集中于腿部結構仿生和四足之間的步態生成與協調控制研究上。而在實際的四足哺乳動物中，柔性脊柱關節對于四足哺乳動物實現高速、靈活而穩定的運動具有重大意義。

大阪工業大學的Takuma等研制了一款腿部只有髖關節的被動脊柱型四足機器人[4]，通過脊柱末端的絞盤牽拉鋼絲可實現脊柱剛度的調節，從而研究不同脊柱剛度對機器人運動速度的影響，實驗表明合理的脊柱剛度可以提高四足機器人運動的能量效率。日本東京大學JSK實驗室研制了一款帶有主動脊柱的四足機器人SQ43[5]，通過機器人后腿電機牽拉穿過脊柱中間的鋼絲，實現脊柱“腹向彎曲(脊柱向下彎曲)-回復”的驅動。實驗表明柔性脊柱的引入使得四足機器人在不規則地面運動時更穩定。2012年波士頓動力公司和MIT均對剛性脊柱的四足機器人進行改進，研制了帶有主動脊柱關節的四足機器人Cheetah，主動脊柱關節的引入，提高了四足的擺動速度和幅度，使整個機器人運動速度最高可達45 km/h，這是目前世界上運動速度最快的四足機器人[6]。……