仿岩羊攀岩爬行机器人设计研究

China is a moutainous country.There is an urgent need to study specialized robot for climbing and crawling in mountain environment to do some work instead of human, such as exploration, disaster searching and patrol guard.The blue sheep is the animal good at climbing and jumping, with the advantages of high-running-speed, gait stability, small landing area, low energy consumption, so it can be taken as biomimetic object for the bionic robot used in mountain environments. This proposal is going to take blue sheep as reference, according to its physical characteristics such as structure, motion and function, to study and reveal the climbing and adhering mechanism in complex mountain environment, to propose the design principle and method of quadruped biomimetic robot like blue sheep climbing and crawling,to solve the key scientific issues such as mechanism configuration, dimension synthesis, driving mechanism and foot design of biomimetic robot like blue sheep.We will develope a prototype of biomimetic robot which can climb and crawl like blue sheep in mountain environment and do some experiments to verify the correctness of the design principle and method.The achievement of this project will promote the development of biomimetic robot mechanism configuration design theory and its application.

我国是多山地国家，迫切需要研究用于山地环境攀爬行走的特种作业机器人，以协助完成山地环境探测监测，灾难救援以及边境巡逻警戒等任务。岩羊是一种善于攀岩爬行的山地动物,具有攀爬行走灵活,步态稳定,落地面积小、能量消耗低等优点，可作为用于山地环境攀爬行走仿生机器人的模仿对象。 本项目将以岩羊为仿生参考对象，通过借鉴其身体结构、行为与功能特征，探索并揭示其山地环境攀爬行走附着移动机理，提出四足仿岩羊攀岩爬行机器人机构的设计理论与方法，解决仿岩羊机器人机构构型与尺度综合、驱动机制及大附着力、低冲击仿生足的设计等基础性关键科学问题。并研制仿岩羊攀岩爬行机器人原理样机一台，实验验证本课题所提出仿生设计原理和方法。项目研究成果对足式仿生机器人机构构型设计理论的发展及其应用有着重要的指导意义。

攀爬行走机器人可用于山地等复杂环境，协助完成山地环境探测检测、灾难救援以及边境巡逻警戒等任务。现有的四足仿生机器人的研究主要解决机器人在平整地面或复杂地面行走的快速性和灵活性，很少涉及山地复杂环境攀岩爬行方面的研究。本项目以岩羊为研究对象，借鉴解剖学的研究成果，对岩羊骨骼结构进行分析，进行仿生映射，获得岩羊的等效运动机构。利用三维运动捕获系统，对岩羊行走、爬坡及下坡进行试验观测，获取了岩羊运动中的关节运动速度、角度及运动范围，从而对等效机构进行仿真分析，发掘岩羊地形适应性机理。利用旋量理论揭示了多足步行机器人的腿分支至少具有3个自由度，对仿生四足机器人进行了构型设计和分析。同时利用倒立摆、能量摆原理，分析岩羊运动，揭示了岩羊运动过程中能量转化过程，并开发了相应的四足步行机器人的控制算法。从变胞机构理论角度，将步行机器人的步态运动，等效为特定的系列等效机构的运动，进而分析机器人运动过程中的性能。岩羊足部的等效机构，在不与地面接触时为开链双分支串联机构，在与地面接触时为双分支并联机构。分叉的偶蹄结构可以在抬腿过程中改变两个足趾的相对位置来调整姿态，可以选择更好的着陆方向。在站立阶段被动地“抓住”或“握住”岩石或其它物体从而提供额外的附着力。同时分析总结了羊足适于攀爬的外形特点和钩挂夹持岩石的力学性能，提出了仿岩羊足的设计原则，开发了一种仿羊足机械足。该仿生足能够适应不同形式的岩石地面，安装在足式机器人上能够提高其在复杂地形下的运动能力。设计制作了一种仿生四足步行机器人样机，进行了静态稳定行走步态试验和动态稳定行走步态试验。相关研究成果对足式仿生机器人的设计发展及应用有着重要的指导意义。