多約束仿貓機器人尺寸綜合優(yōu)化

摘要：【目的】針對仿貓機器人研究中多約束參數(shù)優(yōu)化不足的問題，提出了一種使用灰狼算法對仿貓機器人的關(guān)鍵部件進行尺寸優(yōu)化的方法，使其在多種約束條件的限制下，獲得更高的平穩(wěn)性和靈活性。【方法】首先，對仿貓機器人模型進行力學分析，綜合獲取多種約束條件和目標函數(shù)；然后，使用灰狼算法優(yōu)化機器人腿部和腰部的尺寸；最后，采用Matlab 和Adams 軟件對仿貓機器人進行了仿真分析。【結(jié)果】結(jié)果表明，優(yōu)化后的機器人平穩(wěn)性指標改進了31. 15％，靈活性指標改進了11. 28％，驗證了該機器人優(yōu)化方案的合理性。

關(guān)鍵詞：仿貓機器人；運動穩(wěn)定性；尺寸綜合；多約束條件；灰狼算法

中圖分類號：TP242 DOI：10. 16578/j. issn. 1004. 2539. 2025. 01. 011

0 引言

目前，針對四足機器人的研究已經(jīng)較為豐富。由于研發(fā)目的不同，四足機器人功能也各不相同。其中，仿貓機器人體積小、運動靈活，具有較強的跳躍能力和較高的平穩(wěn)性，從高處掉落時能夠在空中翻轉(zhuǎn)并以正確的姿態(tài)落地，適合進行搶險救災(zāi)，在崎嶇山路、狹窄洞穴中尋找目標。因此，引起眾多專家學者的關(guān)注。陳貴亮等[1]以家貓為研究對象，分析了仿貓機器人跳躍時腰部所產(chǎn)生的作用。MIKI等[2]研制了一種帶腰機器人Ken，腰部由氣動系統(tǒng)控制，通過變剛度系統(tǒng)控制機器人的運動情況。美國麻省理工學院推出了仿貓科動物機器人MIT Cheetah系列[3-4]，增加了柔性脊柱，使其具有與貓科動物更相近的結(jié)構(gòu)；經(jīng)過調(diào)整又發(fā)布的Mini Cheetah 機器人，不僅能夠在草地上奔跑、橫向移動，還能在受到橫向沖擊時調(diào)整重心避免摔倒，并且首次實現(xiàn)了后空翻的動作[5]。瑞士聯(lián)邦理工學院和德黑蘭大學聯(lián)合研制了小型四足機器人Bobcat[6]，使用該機器人的對比表明，主動的腰部控制能夠增加機器人的步長，并且由于將落地的沖擊力轉(zhuǎn)化為動力，而提高了穩(wěn)定性。ARABYAN等[7]通過建立仿貓機器人的模型及其控制系統(tǒng)，研究了仿貓機器人下落時的翻轉(zhuǎn)運動；基于此，李露等[8]分析了柔性腰部的仿貓機器人落地時的受力和運動情況，總結(jié)了弓背角度、前后腿高度差對運動的影響規(guī)律。實際上，仿貓機器人的各部位尺寸對運動的影響不可忽視，但上述研究中對仿貓機器人尺寸的確定尚未深入探討。

機器人結(jié)構(gòu)尺寸的綜合確定往往需要考慮機器人的位姿和工作空間，而利用恰當?shù)膬?yōu)化方法，則可以對機器人的不同參數(shù)進行分析。多尺寸優(yōu)化能夠提高機器人的綜合性能。譚躍剛等[9]針對Trot步態(tài)的單腿進行研究，使用遺傳算法對大腿和小腿長度進行優(yōu)化，使機器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩得到改善，提高了運動穩(wěn)定性。唐鍇等[10]基于粒子群算法，改進了四足機器人的機體尺寸和質(zhì)心位置，通過改善運動時的翻轉(zhuǎn)角，提高了其平穩(wěn)性。RODRIGUEZ等[11]以最大工作空間為條件，使用遺傳算法對delta并聯(lián)機器人進行優(yōu)化，實現(xiàn)了機器人尺寸的最小化。于濤等[12]考慮清理機器人的通過性要求，設(shè)計了多個約束條件，使用Adams軟件對其結(jié)構(gòu)尺寸進行優(yōu)化，增強了機器人的工作效率。于天彪等[13]為碼垛機器人確定了3類約束條件，由此進行了多目標的參數(shù)優(yōu)化。肖宇光等[14]建立了多約束條件，既使六足機器人滿足多種作業(yè)需求，又提高了轉(zhuǎn)矩輸出能力。然而，在仿貓機器人的優(yōu)化中，雖然提高各種工作性能的研究較多，但并未深入研究多約束限制下具有主動腰關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的四足機器人的多尺寸變化的影響。

為獲得更優(yōu)的機構(gòu)形式，充分考慮使用條件，本文開展了多約束下的仿貓機器人尺寸綜合優(yōu)化研究。首先，對仿貓機器人的機構(gòu)進行運動學和動力學分析；其次，根據(jù)機器人的工作需要建立多約束條件，并在目標函數(shù)中使用加權(quán)，使機器人的平穩(wěn)性和靈活性能夠同時得到優(yōu)化；再次，使用灰狼算法對機器人的腰部和腿部尺寸進行優(yōu)化；最后，使用Matlab和Adams軟件驗證優(yōu)化的可行性，為后續(xù)仿貓機器人的優(yōu)化和控制提供參考。