基于气动蜂巢肌肉结构的四足机器人设计与控制.pdf

摘要

机器人技术不断更新，其应用环境从工业环境逐渐扩展到日常社会生活中。传统

刚性机器人具有固定的结构和高精度的运动控制能力，但在使用中会暴露出其耗能

大、复杂环境难以适应的问题；软体机器人是机器人技术的一个新兴分支，凭借自由

度高、优秀的环境适应性以及成本低等特点，迅速在学术界蓬勃发展，然而，其运动

建模难度大、承载能力弱以及控制稳定性差等特点仍是技术上的难点。本文基于先前

学者们的研究，结合软体、刚性结构的优势，提出了一种全新的仿生四足机器人的设

计方案，该设计由气动蜂巢肌肉结构提供动力。本文围绕四足机器人的结构设计、数

学建模、步态规划与机器人运动仿真、实物实验等内容进行研究。研究内容如下：

1、四足机器人的方案设计。以自然界动物肌肉驱动骨骼的原理，结合蜂巢结构

的形变特性，分别提出了机器人的大腿、小腿气动软体驱动设计方案，并说明其驱动

方式；按照仿生结构设计机器人整体形态，使用建模软件绘制整体模型；最后，介绍

了机器人各部分制作的办法与材料特性。

2、搭建控制系统。搭建用于机器人控制的气路控制系统，包括确定机器人控制

过程中的硬件、软件需求，完成设备的采购、软件安装，以及程序环境的搭建，最后

完成设备的调试、安装，为实验测试提供平台。

3、单腿的数学分析。基于几何法首先确定机器人软体驱动的弯曲角度与机器人

腿部旋转角的关系；对机器人单腿进行简化，对简化模型进行正运动学、逆运动学分

析；基于四足动物的运动规律，结合实际实验室硬件设备条件，确定机器人运动步态；

确定实际模型的旋转角范围，使用正运动学关系式得到单腿的可达空间，最后使用逆

运动学关系进行足端轨迹规划。

4、建模仿真与控制。结合控制原理与设计的机器人特点，提出了基于系统输入

输出数据的系统辨识建模办法，并编写LabVIEW数据采集程序；创新性的使用MPC

算法对机器人进行控制，并使用LabVIEW完成运动控制程序，在此基础上对机器人

单腿进行仿真验证，最后进行实物实验。

关键词：软体驱动；四足机器人；机器人设计；运动学分析；运动控制

I

ABSTRACT

Robotictechnologyisconstantlyevolving,withitsapplicationsexpandingfrom

industrialsettingstodailysociallife.Traditionalrigidrobots,characterizedbyfixed

structuresandhigh-precisionmotioncontrolcapabilities,oftenfacechallengessuchashigh

energyconsumptionanddifficultyinadaptingtocomplexenvironments.Incontrast,soft

robotics,anemergingbranchofrobotictechnology,offershighdegreesoffreedom,

excellentadaptabilitytoenvironments,andlowcosts,gainingrapidpopularityinthe

academiccommunity.However,italsopresentschallenges,includingdifficultiesinmotion

modeling,lowload-bearingcapacities,andpoorcontrolstability.Drawingonprevious

research,thispaperpresentsanoveldesignforabionicquadrupedalrobotthatispowered

byapneumatic