王 伟 韦 浪 刘富盛 王国顺

武汉大学动力与机械学院,武汉,430064

0 引言

足式机器人在非结构化环境中有优越的适应能力,相比轮式、履带式机器人具有更好的发展前景[1]。尽管近年来足式机器人性能越来越强,然而目前为止,足式机器人与足式动物之间在能量输出效率、运行速度、灵活性以及稳定性上仍然存在巨大的差距[2]。

研究发现,自然界中的足式动物在运动时会主动调节腿的刚度以适应不同的自然环境和运行速度,其腿部一般具有储能功能,可以主动储存和释放能量,使得运动效率显著提高,同时节省了体力[3]。许多足式动物的肌肉-骨骼系统可以视作弹簧进行研究,进而指导人们设计对应的仿生机器人系统[4-6],为了模仿动物腿部的柔顺行为,国内外已经展开了大量研究。波士顿动力公司开发的BigDog四足机器人[7]、意大利理工大学开发的HyQ四足机器人[8]以及我国北京理工大学[9]和重庆大学[10]开发的液压驱动四足机器人均采用了液压驱动的腿部,可以很好地解决外界冲击和自身振动的问题,实现主动柔顺控制,然而由于液压系统通常对制造、装配等要求较高,机构复杂度较高且后期维护不便,因此不适于小型化应用。西北工业大学为四足机器人开发了刚-柔复合的腿部,能够实现连续垂直跳跃,腿部弹性环节能够起到缓冲作用,方便机器人在恶劣环境下运行[6]。重庆大学设计了一款连杆-线驱动的腿部,使用弹簧作为缓冲元件,有效地减小了着地时的冲击力[10]。……