可翻滚四足机器人结构设计及其运动规划研究

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移动机器人是科学技术进步的产物， 它代表了机电-体化的最高成就， 是目前科学
技术发展最活跃的领域之-。 移动机构决定了移动机器人的综合移动性能， 是移动机器
人能够在工作环境中实现快捷、平稳、精确、高效移动的关键。随着移动机器人所担负
任务要求的不断提高，作业环境往往是平坦与崎岖共存的多重特征任务环境。于是， 兼
具几种运动方式的移动机构正成为研究的热点， 而用-套机构实现两种运动方式是-条
有效途径。
本文在总结国内外最新研究成果的基础上， 从形体仿生角度出发， 提出了-种可翻
滚四足机器人，该四足机器人具有两种运动模式：步行模式和翻滚模式，且两种模式之
间可实现自主互换， 以达到利用-套机构实现两种运动方式的目的。 可翻滚四足机器人
可利用肢体变形由步行模式自动过渡到闭链翻滚模式， 在翻滚模式中， 通过调整机构位
形，由质心偏置形成的重力矩来驱动机构翻滚。
首先，基于对称性理论，将弓形杆件和球冠结构引入四足机器人中，对可翻滚四足
机器人进行了结构设计∩翻滚四足机器人四肢由弓形杆件组成，机体采用球冠外形，
且弓形杆件和球冠机体具有相同的曲率； 髋关节含有两个自由度、 膝关节和踝关节各含
有-个自由度；根据旋转对称原则设计肢体的结构参数和质心分布。
其次， 在由站立姿态向翻滚模式过渡过程中， 将四足机器人简化为平面六连杆机构，
建立了过渡过程的机器人质心运动学模型。 提出了过渡过程质心移动策略， 采用惩罚函
数法，优化了过渡终止时刻机器人的位形。针对过渡运动学方程的非线性特性，并根据
能耗最小的原则，采用最小二乘法进行关节运动轨迹规划。
再次，将可翻滚四足机器人在平坦路面的翻滚模型简化为闭链弓形五连杆机构， 采
用分段函数，推导了-个翻滚周期的运动学约束方程、质心运动轨迹方程、以及质心运
动的速度和加速度方程。
最后， 在总结现有翻滚机构轨迹规划的不足基础上， 提出了可翻滚四足机器人在满
足运动平稳性、关节连续性条件下的恒质心偏距关节轨迹规划策略，并根据此策略， 进
行了-个翻滚周期的关节轨迹规划。 规划的结果验证了该轨迹规划策略的正确性和合理
性，同时也表明了可翻滚四足机器人在结构上的优越性。
关键词：弓形五连杆；闭链翻滚；四足机器人；运动规划；恒质心偏距翻滚