仿猫四足机器人超动态跳跃运动的仿生机构与控制研究

Quadruped robots have widely potential application due to good motion stability and load carrying capacity. However, the current quadruped robots have poor capability of hyper dynamic jumping so that it is difficult for them to negotiate barrier or arrive at the locations with the length of several times of the robots’ height. These lead to their poor locomotion and environmental adaptability comparing with the cat. The main reason is that they have not the energy accumulation and release mechanism similar to the cat’s muscles to coordinate whole body energy to generate explosive motion. . In this project, in order to solve the above-mentioned problem of weak hyper dynamic motion capability and poor adaptability to the environment of the quadruped robots, we exploit the motion principles and models for the cat’s hyper jumping, investigate the bionic mechanism design for cat-like quadruped robot inspired by the principles of the cat motion, and study the motion planning approach to generate hyper dynamic jumping by the whole body coordination. The fundamental innovation of the project lies in the whole chain from the motion principles, mechanism model, driving mode to the matched control method. It is expected to propose a systemic theory of the mechanism design and control theory of hyper dynamic motion for quadruped robots and accordingly to enhance the locomotion capability and adaptability to the complex environments.

四足机器人运动稳定性好、承载能力强，有广泛的应用前景。目前四足机器人的超动态跳跃运动能力很弱，难以越过数倍于身高的障碍物抵达数倍于身体长度的地点，与以猫为代表的四足动物的运动能力和环境适应能力有很大差距。究其原因，主要是其不具备肌肉蜷曲和伸展带来的能量聚集与瞬时释放机制，难以利用全身的协同运动实现关节和身体部位间能量耦合传递产生爆发性的超动态运动。. 本项目针对目前四足机器人超动态运动能力弱、空间到达和环境适应能力受限的问题，研究猫的超动态跳跃运动机理与建模；借鉴猫的超动态跳跃的生物力学机制，研究仿猫四足机器人超动态运动的仿生机构驱动一体化设计；研究四足机器人超动态跳跃运动全身协同运动规划与控制方法，从运动机理、结构模型、驱动形式和与之匹配的运动控制方法结合进行基础理论创新，建立一套四足机器人超动态运动的机构设计理论与控制方法，以提高四足机器人的运动能力和复杂环境的适应能力。

四足机器人运动稳定性好、承载能力强，有广泛的应用前景。目前四足机器人的超动态跳跃运动能力很弱，难以越过数倍于身高的障碍物抵达数倍于身体长度的地点，与以猫为代表的四足动物的运动能力和环境适应能力有很大差距。究其原因，主要是其不具备肌肉蜷曲和伸展带来的能量聚集与瞬时释放机制，难以利用全身的协同运动实现关节和身体部位间能量耦合传递产生爆发性的超动态运动。.本项目主要研究内容包括研究猫的全身骨骼肌肉构成及其高能效生物力学特性，揭示猫超动态跳跃运动的本质；改变传统的四足机器人刚性机构设计，研究基于骨骼肌肉仿生的仿猫四足机器人超动态运动机构驱动一体化设计；研究具有一体化仿生机构驱动的仿猫机器人关节间干涉配合、能量耦合和变刚度控制，通过时序控制机制进行运动规划，实现超动态跳跃；通过接近真实猫尺寸的四足运动模型对所研究的力学模型、仿生机构及规划控制方法进行演示验证。.本项目的研究成果是从运动机理、结构模型、驱动形式和与之匹配的运动控制方法结合进行基础理论创新，建立一套四足机器人超动态运动的机构设计理论与控制方法，研制出具有仿生刚柔耦合驱动的仿猫四足机器人原理样机1台，实现了行走、跳跃等功能，跳跃高度达到身高的1.5倍，跳跃距离达到身长的一半，提高了四足机器人的运动能力和复杂环境的适应能力。