变刚度四足机器人的连续型仿生脊柱设计

为提高四足机器人面对广域地形环境的机动性和适应性，设计一种可变刚度的连续型仿生脊柱。采用金属构件作为脊柱的连接件和支撑件，模拟猎豹的脊柱骨架；使用钢丝绳传动作为主动力驱动，模拟生物肌肉纤维的发力；在脊柱板之间设置不同刚度的弹簧模拟肌腱的储能与释能功能。通过建立静力学模型研究负载及绳驱动拉力对脊柱的影响。研究结果表明：采用的连续型构型为四足机器人躯干在上下弯曲方向提供了灵活性，并使负载施加的力沿脊柱方向分散，减小脊柱的损耗；脊柱可以实现躯干部分整体弯曲与回复，最大弯曲角度达到25°。变力恒载实验中，0 kg和30 kg负载下，仿真结果和实验结果的模型末端位置相对误差分别为2.71%和4.00%；恒力变载实验中，750 N和1 400 N拉力下，仿真结果和实验结果的模型末端位置相对误差分别为4.25%和2.79%。脊柱的响应频率可以达到1.62 Hz，变刚度试验测得的等效弯曲刚度范围为4.70～51.36 N/mm，最大负载为334.9 N，可以满足四足仿生机器人在广域地形的应用需求。