仿偶蹄高附着机械足关键技术研究

As being an important executing mechanism for walking robot-environment interaction, robot feet affect the adaptability and stability directly, and are widely used in various kinds of foot robot, the foot construction machinery, special equipments and so on. With the strong requirement in complex terrain, traditional robot feet perform worse and worse in effective and dynamic adhesion performance, because of the limitation in ground locking, directional friction drive performance and compliant control strategy. Based on the excellent performance of cloven-hoofed animals in adhesion, this project will make the morphology and dynamic coupling process of goat's cloven hoof, such as the geometric features, material properties, structural topology, perception and driven approach, as research project in morphological computation, reveal the special regulation mechanism in organization structure, tension-regulation ability and distributed multi-perception and multi-drive. The project will construct bionic mechanism model of the mechanical foot with high adhesion through innovative design and key techniques study in mathematics, physics, and dynamic modeling,then, with local adaptive dynamic regulatory mechanism of adhesion in mechanical feet realized by distributed perceived-drive technology of the tensegrity structure, adhesion in bionic feet will improve significantly compared with traditional mechanical feet.

机械足作为行走机器人与自然环境交互的重要执行机构，直接影响着机器人的运动适应性和平稳性，可广泛应用于各类足式机器人、步行机械和特种移动装备等领域。伴随行走机器人在非结构化地形上的应用需求，目前国内外机械足的地面锁合和有向摩擦驱动性能以及采用的柔顺控制策略受多种因素的影响，还不能实现高效、动态的接触附着性能。鉴于偶蹄动物足在抓地附着性方面所具有的明显优势，本项目拟从形态计算角度出发，深入研究山羊偶蹄的几何特征、材料特性、结构拓扑、感知能力、驱动方式等形态和动力学耦合过程，揭示其特殊的组织构造、张力调节能力以及分布式多感知-多驱动的调控作用机理。通过数学、物理以及动力学建模等方面创新设计和关键技术研究，建立机械足高附着仿生机构模型和工作原理，采用张拉整体结构的分布式感知-驱动技术实现机械足附着力的局部自适应动态调控机制，从而使新建的仿生机械足相对于传统机械足在抓地附着性能方面有显著提高。

四足行走机器人在崎岖地形上具有优于轮或履带式机器人的运动性能，在军、民领域均具有潜在应用价值。机械足作为行走机器人与自然环境交互的重要执行机构，直接影响着机器人的运动适应性和平稳性。本项目重点分析研究了结构形态和力学调控，分四个方面开展研究工作，首先开展了山羊偶蹄足的足垫-骨骼-韧带系统形态分析、多种复杂地形的抓地附着力学响应过程分析，确定了外膝肘式配置、双瓣结构、硬蹄壳、多段趾骨、单自由度滑车及趾腱牵拉等结构特征是实现陡峭、崎岖地形稳定行走的形态基础。这些特征耦合形成的反双曲骨骼抓地特性和翻转蹄地面锁合特性是其接触力动态响应的作用机理。其次开展了仿生设计、有限元分析和动力学仿真，通过多种方案分析对比，建立了具有蹄掌牵拉机构的仿生反双曲偶蹄足设计方法和实物样件。第三方面开展了足-地接触力调控方法研究，分别建立了仿生三段式、平面两段式机械腿足机电实物模型，探索了三段式机械足的仿肌肉牵拉驱动模型，并对液压缸布局、行程 功率等参数进行了优化；采用合质心轨迹控制了三段冗余自由度机械腿的竖直弹跳、匀速弹跳和加速弹跳；运用串联弹性执行器感知关节扭矩并估计了足底接触力；根据国际最新发展趋势尝试了直接采用电流反馈估计足底接触力的方法。期间开展了液压、电机驱动样机试验和性能测试。第四方面综合上述成果开展了新型仿偶蹄四足机器人的样机研制。本项目总体上按期完成了各项研究计划和内容。上述成果能够为四足机器人仿偶蹄机械足的开发设计提供参考和依据，部分研制成果尚未见国际有相关报道。