四足动物侧向冲击下的再平衡策略及其在四足机器人控制中的应用

High dynamic adaptability is one of the important targets of high performance quadruped robot, but quadruped robots still don't have the high agile and dynamic adaptable locomotion ability like animal at present, especially to rebalance after extern disturbance of impulsion. Animals have the quick reaction and stability maintaining ability to resist extern impulsion after billions of years' evolution. So it is naturally reasonable to design and plan the strategy of resisting the lateral impulsion for quadruped robot by revealing and citing animals' reaction mechanism and behavior rules to rebalance. In this project, the motion biomechanics of shepherd dogs in the process of rebalancing with lateral impulsion in rigid trunk (free state) and semirigid trunk (the trunk was packaged by hard material) states will be studied, and the behavior mode and regulation mechanism will be revealed, which will enhance the acquaintance of regulation behavior of quadruped animal after extern disturbance and supports the bionic base for the study of high efficient and agile rebalance method of quadruped robots, which has the practical guidance and significance for the improvement and enhancement of robot's whole performance.

高动态适应性是高性能四足机器人的重要指标之一，但目前四足机器人还不具备四足动物那样高灵活性和高动态适应性的运动能力,尤其在外部冲击下的再平衡能力。经过亿万年的进化，动物形成了抵抗外部冲击的快速反应和稳定调节能力。因此，揭示并借鉴动物侧向冲击下的行为模式和调控规律，设计和规划四足机器人的抗侧向冲击策略具天然的合理性。项目拟通过研究四足动物（牧羊犬）在半刚性躯干（原始状态）状态和刚性躯干（身体用硬质材料包裹）状态侧向冲击下再平衡调节过程的运动生物力学规律，揭示动物两种状态下的抗外部冲击的行为模式和调控机理，由此丰富人们对动物在外界干扰情况下运动调节行为的认识，并为实际四足机器人侧向冲击下高效、灵活的再平衡调节方法的研究提供仿生学基础，对改进、提高四足机器人的整体性能具有实际指导意义。

高动态适应性是高性能四足机器人的重要指标之一，但目前四足机器人还不具备四足动物高灵活性和高动态适应性的能力,以及在外部冲击下的再平衡。自然界的动物形成非结构环境下高效、灵活的调整自身行为实现再平衡能力，这种灵活运动的表现，力的再分配是实现其再平衡的关键因素。通过认为改变动物的平衡状态，研究动物在这个过程中力的再分配情况和行为变化，将对四足机器人的平衡及高动态性控制提供参考，运动力学测试设备也是关键因素之一。而现有的运动力学设备中，尚不能得到动物运动时瞬时各足间的同步运动反力信息和运动行为信息。实现四足机器人稳定灵活的运动，控制方法是其中的关键技术，而理论分析方法是其核心，目前还缺乏针对足式机器人稳定运动的分析方法，目前借鉴零力矩点方法以及修正后的零力矩点方法对点接触机器人的稳定性分析具有一定指导作用，但成熟应用于四足机器人控制还需进一步完善。.项目以四足动物为研究对象，建立适应的运动力学测试的系统研究；开展了四足动物的侧向冲击试验，获得了动物在受到侧向冲击时的步态调整，身体姿态调整，以及足力分配情况。在以大白鼠的侧向冲击试验中，发现动物在受到侧向冲击时，大鼠抗冲击的平衡调节策略与身体受冲击的部位有显著相关性. 冲击胸部时发生弯曲的位置主要集中在胸部，并且胸部冲击时白鼠首先在前腿的步态做出调整，随后身体开始整体调整，身体在侧向上的运动位移要大于腹部冲击时，腹部冲击的弯曲主要发生在腹部，身体躯干弯曲先后在两侧发生弯曲，腹部冲击时前腿的运动轨迹没有做出显著的改变，而后腿做出主要的步态调整，并且在调整过程中出现单腿支撑身体的阶段；在脚掌与接触面的作用反力方面，冲击胸部时做出调整的第一个步态产生的侧向力很大，主要用于平衡身体受到的侧向冲击，而腹部冲击时，白鼠做出调整时的第一个步态没有产生很显著的侧向力变化。从法向力来看，白鼠在受到外界冲击的情况下，身体都有一个跃起的趋势，使法向力明显减小。.在四足机器人研究方面，开展了四足机器人的系统控制研究，并研制了用于控制算法应用的直流电机驱动四足机器人，并建立了以单板机为中心控制器的控制系统。理论分析方面，引入了浮动基系统动力学分析方法，以其完善以浮动基系统动力学分析方法为理论基础的多足机器人分析方法。