摘要：针对四足机器人从空中无意跌落或被空投时的安全着陆问题,提出了一种考虑柔性腰部的仿猫机器人机构模型,分阶段讨论了机器人的受力和运动情况;采用拉格朗日函数在能量分析的基础上建立了动力学方程;根据动量矩定理,结合经典碰撞理论,建立了碰撞过程中的动力学方程;建立了仿真模型,分析腰部扭簧对落地冲击的影响。仿真结果表明,腰部增加扭簧可以降低前、后腿触地的反作用力,前、后髋关节主动力矩,前、后腿触地时质心竖直加速度,并且使各变量变化更平缓,因此得到更好的落地缓冲性能,并研究了腰部扭簧的弹性系数和阻尼系数与各变量的变化关系。计算了不同弓背角度及前、后腿高度差情况下的地面反作用力、质心竖直加速度。结果表明,增大弓背角度可以减小质心竖直加速度,改变前、后腿高度差会改变前、后腿的地面反作用力分布。该文为进一步研究仿猫机器人的结构设计和落地的控制策略奠定了基础。

摘要：目前大多数四足机器人以刚性腿部结构设计而成,部分机器人加入了单一自由度的腰部实现单方向的运动,但是总的来说都难以实现动物腿部肌肉、腰、脊椎关节的柔性运动。在四足动物中,猫拥有极强的运动灵活性。为更好地模拟猫的运动特性,参照猫的腿部骨骼结构和柔性组织,提出了一种具有柔性腿部和主动腰部的仿猫四足机器人设计方法。首先,从仿生学的角度研究猫的生理结构和运动方式,设计了包含弹簧-阻尼器系统四杆机构的柔性腿部,转动灵活且工作稳定的主动腰部和带有脊柱固定系统的前后躯干。同时,使用有限元分析工具对受力情况复杂的关键零件进行强度与刚度优化。之后,开发了运用新设计的仿猫四足机器人原型机,通过运动仿真软件配合原型机,进行了Trot步态行走、跳跃、落地缓冲和越障等实验。实验结果表明,相较传统的刚性腿部结构和单自由度腰部,应用该设计方法的四足机器人在运动性能方面有着显著优势,充分验证了其可行性与有效性。研究结果为四足机器人的设计提供了一种新的解决方案并给出了其理论依据和参考设计实例。