在一些空间封闭,充满易燃易爆气体且地面环境复杂的灾害环境下,采用机器人代替救援工作人员先期进入探测,将大大提高救援工作的安全性。以电机作为驱动的机器人在作业过程中如不慎产生火花将会导致二次爆炸,而以惰性气体为驱动介质的气动机器人因具有天然防爆性,成为救援机器人的一种新的选择。为此本文探索研发一种以惰性气体为驱动介质且的六足行走机器人,对其进行机构动力学与气动实验的相关研究,为工程机的设计提供理论和实验基础。本文进行了如下方面的研究:(1)对气动六足机器人进行机构学设计。首先对已有的行走机器人腿部机构进行分析,确定了气动六足机器人的整机机构,对该机构的行走原理进行分析,对大腿关节和小腿关节以及后腿分别进行了机构运动学设计;(2)对气动六足机器人进行整机运动学分析。分别建立了腿部机构以及整机的运动学数学模型,并利用MATLAB进行了数值仿真机计算,得到了腿部以及整机的运动学关系;(3)对气动六足机器人进行动力学建模。基于Lagrange理论分别建立了关节以至腿部整体以及整机的动力学模型,并从空间的角度分析了所选广义坐标与控制输入力之间的关系以及整机机构中从足端力到关节力矩再到气缸驱动力之间的映射关系;(4)对气动六足机器人进行动力学计算。利用伪谱法和最优控制理论,对所建立的各个机构动力学模型分别进行了数值计算,各个关节以及腿部和整机的动力学参数以及控制输入变化曲线,最后对直线行走工况进行了动力学计算;(5)对气动六足机器人进行步态设计以及实验研究。设计出了基于气动的直线行走和转弯步态,并利用虚拟样机进行了仿真验证。搭建了气动六足机器人实验样机,设计了其机械系统,气动系统以及控制系统,最后进行了直线行走实验,测取了在直线行走过程中的躯干运动学参数以及腿部运动参数。通过以上研究,可得出以下结论:(1)仿哺乳动物式的腿部机构比爬虫式的腿部机构在结构设计以及步态控制方面都具有较大的优势;其直线行走过程类似于平行四边形的变形运动,腿部的在站立态时的姿态对腿部机构的设计以及控制系统的设计有着较大的影响;为保证腿部机构在相同气缸运动条件下的一致性的关键是保证其驱动三角形的全等;(2)气动六足机器人关节结构参数影响着关节的旋转运动的角度,角速度和角加速度,腿长则影响着整机的越障能力以及步距,在直行过程中,大腿关节的旋转作用支撑躯干前行,在前行的过程中不可避免的产生水平和垂直方向的位移,大腿关节一次旋转角度越小,则垂直方向上的位移量就越小,反之则越大;(3)因并联机构运动的非线性,以气缸的线位移参数为广义坐标难以建立单个关节,腿部以及整机的动力学模型,故而选择关节的旋转运动参数为广义坐标,可建立单关节,腿部以及整机的动力学模型,通过力和力矩之间的映射关系,可将气缸驱动力转换为关节力矩作为系统控制的输入;在不考虑腿部局部运动的前提下所建立的气动六足机器人的整机空间六自由度动力学模型为一冗余机构,不具有可解性,需根据实际工况将其作进一步的简化方可求解;以足端力为出发点,通过将足端力映射为关节力矩然后映射为气缸驱动力的步骤,可得到以气缸驱动力为控制输入的整机动力学模型;(4)气动六足机器人的腿部关节按时序依次摆动所需的供气压力要低于两关节同时摆动的供气压力和供气时间,故而腿部关节按时序依次摆动所需的耗气量相对较少,气动六足机器人在行走过程中,腿部自由摆动所需的气压以及作用时间都远低于躯干前行过程中关节的驱动气压以及作用时间,如能对气缸进行分压供气可降低压缩气体的消耗量;(5)通过虚拟样机证明,采用电磁阀为控制元件所设计的直线行走步态和转弯步态具有可行性;采用基于直线行走步态来设计转弯步态的思路可保证后续气动系统设计的最小化,只需改变电磁阀的时序,无需因步态不同而单独设计回路;实验样机设计需首先满足续航能力以及负载能力;在气动六足机器人直行实验中,当供气压力低于所需压力时会影响到行走的稳定性,而高于所需压力则会增加耗气量。本文的主要创新点如下:(1)设计出了气动六足机器人的机构,研究出了可降低气动和控制系统设计复杂性的两个关键条件:所有大腿关节驱动三角形应全等,站立态时腿部向量与地面保持垂直;(2)基于矩阵向量算子,推导出了气动六足机器人单个关节,腿部以及整机的运动学模型,动力学模型,该方法比基于三角函数的建模方法具有简单明了的优势,且所得到的运动学和动力学方程具有数值可解性;(3)将伪谱法应用于机构的动力学计算中,通过伪谱法的求解,得到了各动力学模型的最优解,通过分析最优解得到了降低整机能耗的条件,即分压供气以及关节按时序依次摆动;(4)通过动力学建模找到建立基于气缸驱动力为控制输入的整机的动力学建模方法,即以足端接触力出发点,通过逐步映射的过程,到关节驱动力矩,再到气缸驱动力,该模型具有数值可解性;(5)设计出了基于气动的直线行走步态和转弯步态,并验证了其有效性,设计出了包含机械,电控以及气动系统完整实验样机,并进行了直线行走实验,并发现供气压力的大小会影响到整机运动的稳定性。