四足步行机器人结构设计文献综述_-_副本

第一篇：四足步行机器人结构设计文献综述_-_副本

四足步行机器人结构设计文献综述

四足步行机器人结构设计文献综述

（）

摘要：对国内、外四足步行机器人的研究发展现状进行了综述，对四足步行机器人亟需解决的问题进行了论述，并对未来可能的研究发展方向进行了展望。关键字：四足步行机器人；研究现状；展望

1、引言

四足步行机器人是机器人家族的一个重要分支，其不仅承载能力强，而且容易适应不平的地形。它既能使用静态稳定的步态缓慢平滑地行走，又能以动态稳定的步态跑动。与轮式、履带式移动机器人相比，在崎岖不平的路面，步行机器人具有独特优越性能，在这种背景下，步行机器人的研究蓬勃发展起来。而仿生四足步行机器人的出现更加显示出步行机器人的优势：

（1）四足步行机器人的运动轨迹是一系列离散的足印，运动时只需要离散的点接触地面，对环境的破环程度也较小，可以在可能到达的地面上选择最优的支撑点，对崎岖的地形的适应性强。

（2）四足步行机器人的腿部具有多个自由度，使运动的灵活性大大增强。它可以通过调节腿的长度保持身体水平，也可以通过调节腿的伸展程度调整重心位置，因此不易翻到，稳定性更高。

（3）四足步行机器人身体与地面是分离的，这种机械结构的优点在于：运动系统还具有主动隔振能力即允许机身运动轨迹和足运动轨迹解耦，机器人的身体可以平稳的运动而不必考虑地面的粗糙度和腿的放置位置。

（4）机器人在不平地面和松软路面上的运动速度较快，能耗较低。

2、国内外的发展现状

20世纪60年代，四足步行机器人的研究工作开始起步。随着计算机技术和机器人控制技术的研究和应用，到了20世纪80年代，现代四足步行机器人的研制工作进入了广泛开展的阶段。

世界上第一台真正意义的四足步行机器人是有Frank和McGhee于1977年制作的。该机器具有良好的步态运动稳定性，但缺点是，该机器人的关节是由

四足步行机器人结构设计文献综述

逻辑电路组成的状态机控制的，因此机器人的行为受到限制，只能呈现固定运动形式。

20世纪80，90年代最具代表性的四足步行机器人是日本Shigeo Hirose实验室研制的TITAN系列。1981~1984年Hirose教授研制成功脚步装有传感和信号处理系统的TITAN-III。它的脚底步由形状记忆合金组成，可自动检测与地面接触的状态。姿态传感器和姿态控制系统根据传感信息做出的控制决策，实现在不平整地面的自适应步行。TITAN-VI机器人采用新型的直动性腿机构，避免了上楼梯过程中两腿的干涉，并采用两级变速驱动机构，对腿的支撑相和摆动相分别进行驱动。

2000-2003年，日本电气通信大学的木村浩等人研制成功了具有宠物狗外形的机器人Tekken-IV，如图1所示。它的每个关节安装了一个光电码盘，陀螺仪，倾角计和触觉传感器。系统控制是由基于CPG的控制器通过反射机制来完成的。Tekken-IV能够实线不规则地面的自适应动态步行，显示了生物激励控制对未知的不规则地面有自适应能力的优点。它的另一特点是利用了激光和CCD摄像机导航，可以辨别和避让前方存在的障碍，能够在封闭回廊中实现无碰撞快速行走。

目前最具代表性的四组步行机器人是美国Boston dynamics实验室研制的BigDog，如图2所示。它能以不同的步态在恶劣的地形上攀爬，可以负载高达52KG的重量，爬升可达35°的斜坡。其腿关节类似动物腿关节，安装有吸收震动部件和能量循环部件。同时，腿部连有很多传感器，其运动通过伺服电机控制。该机器人机动性和反应能力都很强，平衡能力极佳。但由于汽油发电机

四足步行机器人结构设计文献综述

需携带油箱，故工作时受环境影响大，可靠性差。另外，当机器人行走时引擎会发出怪异的噪音。

国内四足机器人研制工作从20世纪80年代起步，取得一定成果的有上海交通大学、清华大学、哈尔滨工业大学等。

上海交通大学机器人研究所于1991年开展了JTUWM系列四足步行机器人的研究。1996年该研究所研制成功了JTUWM-III，如图3所示。该机器人采用开式链腿机构，每个腿有3个自由度，具有结构简单，外形轻巧，体积小，质量轻等特点。它采用力和位置混合控制，脚底装有PVDF测力传感器，利用人工神经网络和模糊算法相结合，实线了对角动态行走。但行走速度极慢，极限步速仅为1.7KM/h,另外其负重能力有限，故在实际作业时实用性较差。

清华大学所研制的一款四足步行机器人，它采用开环关节连杆机构作为步进机构，通过模拟动物的运动机理，实现比较稳定的节律运动，可以自主应付复杂的地形条件，完成上下坡行走，越障等功能。不足之处是腿运动时的协调控制比较复杂，而且承载能力较小。

四足步行机器人结构设计文献综述

3、国内外的关键技术分析

（1）机械本体研究

四足步行机器人是机电一体化系统，涉及到机构、步态、控制等，而机械机构是整个系统的基础。在机械本体的设计中腿部机构设计是关键。目前，研制的四足步行机器人的腿部机构形式主要有缩放型机构、四连杆机构、并联机构、平行杆机构、多关节串联机构和缓冲型虚拟弹簧腿机构。其中，并联机构可以实现多方位运动，且负载能力强，所以具有较好的应用前景，但控制系统较为复杂。另外，含有弹性元件的缓冲型虚拟弹簧腿机构，利用弹性元件把刚性连接变为柔性连接，减缓机器人在动态行走时的冲击以及由此产生的振动，因此该机构应用越来越广泛。

（2）步态研究

步行机器人几种典型步态有：爬行、对角小跑、溜蹄、跳跃、定点旋转、转向等。在文献[7]中，提出了爬步态的理论，并证明了该步态具有最大的静稳定性。对角小跑步态属于动态稳定步态，能够提高运动速度。跳跃式步态较其它步态在前进的效率上具有明显的优势，但是由于受到腿机构的摆动惯性力和关节处大冲击力的影响，因此需要较大的瞬时驱动力。另外，跳跃持续的时间是短暂的，为了保证机器人实时可控，必然需要在极短的时间内采集多种信号，这对目前的驱动元件和传感器都提出了极高的要求。目前所研究的各种步态中，跳跃步态的研究是最具挑战性的难点问题。

（3）控制技术研究

复杂四足步行机器人的控制系统是非线性的多输入和多输出不稳定系统，四足步行机器人结构设计文献综述

具有时变性和间歇动态性。目前四足机器人的步行运动大多数是基于步态的几何位置轨迹规划、关节位置控制的规划和控制策略。而对机器人进行单纯的几何位置规划与控制，则会由于惯性、脚力失衡等因素而导致机器人失稳。解决这个问题的关键就是突破单一的位置规划与控制策略，实施机器人力、位置混合控制。在步态生成和控制方面，有理论突破意义的是基于生物中枢模式发生器(CPG)原理的运动控制方法。

（4）驱动能源研究

在线提供能源受到空间的限制，而蓄电池组受体积和重量的限制，因此寻求提供持续可靠的离线自带电源就成了必须。随着新型电池的研发，新型太阳能电池、燃料电池、锂电池等成为较为理想的能量供给来源。另外，通过微波对微型机器人提供能量和控制信号也是一种较为可观的方法。

4、存在的问题

从20世纪60年代至今研究者们对四足步行机器人关键技术的分析做了大量的工作，在一些基础理论问题上取得了一定的突破，使四足步行机器人的技术水平不断得到提高。但在四足步行机器人发展过程中仍有一些亟需解决的问题：

（1）步行机器人的结构仿生设计问题；（2）在不平地面移动的速度、稳定性问题；（3）四足步行机器人的步态规划问题；（4）步行机器人仿生控制方面的问题；

（5）有些步行机器人的体积和质量都很大问题；（6）多数步行机器人研究平台的承载力不强问题；

5、展望

随着对四足步行机器人的研究的日益深入和发展，四足步行机器人在速度、稳定性、机动性和对地面的适应能力等方面的性能都将不断提高，自主化和智能化也将逐步的实现，从而使其能够在更多特殊环境和场合中使用，因此具有广阔的应用前景。

纵览当前四足机器人的发展，四足步行机器人有以下几个值得关注的趋势：

四足步行机器人结构设计文献综述

（1）实现腿机构的高能，高效性；（2）轮，足运动相结合；（3）步行机器人微型化；

（4）增强四足步行机器人的负载能力；（5）机器人仿生的进一步深化；

6、总结

尽管四足步行机器人技术有了很大的发展，足式机器人的研究平台有很多，但制约四足机器人技术进一步发展的基础理论问题并没有得到根本的解决，其中，许多样机还达不到生物简单运动的速度和稳定性。正如著名机器人学家Geles教授所言：“步行机器人的理论研究步伐要远远落后于其技术开发的步伐”。现有的四足机器人的基础技术研究尚不够成熟和完善，足式机器人的关键技术还有待于进一步大力开发。

7、参考文献

[1] McGhee.R.B.Robot locomotion[A].In R.Herman, S.Grillner,P.Stein,and

D.Stuart, editors, al control of lNeurocomotion[C].Plenum Press.1976:237-264.[2] Shigeo.Hirose, Tomoyuki.Masui, Hidekazu.Kikuchi.TITAN-III: A Quadruped

Walking Vehicle-Its Structure and Basic Characteristics.Robotic

Research(2nd Int.Symp.).The MIT Press, 1985：325-331.[3] 王洪波，徐桂玲，胡星，张典范，张雄.四足并联腿步行机器人动力学[J].燕山大学河北省并联机器人与机电系统实验室.秦皇岛.066004.[4] 雷静桃，高峰，崔莹.多足步行机器人的研究现状及展望 [M ].北京航空航天大学 汽车工程系.北京.100083.[5] 查选芳，张融甫.多足步行机器人腿机构的运动学研究[J].东南大学学报.1995.25(2).[6] 郭成，谈士力，翁盛隆.微型爬壁机器人研究的关键技术[J].制造业自动化.2004.26(7).[7] 王吉岱，卢坤媛，徐淑芬，雷云云.四足步行机器人研究现状及展望[M ].山

四足步行机器人结构设计文献综述

东科技大学 机械电子工程学院.青岛.266510.[8] 陆学东.多足步行机器人运动规划与控制.[M ].华中科技大学出版社.2006.2.[9] 宣奇波，张怀相，戴国骏.四足步行机器人稳定性步态规划.杭州电子科技大学计算机应用技术研究所.浙江 杭州 310018.[10] 朱学彪.液压驱动四足机器人机械结构设计.[M ].武汉科技大学 机械自动化学院，武汉 430081

第二篇：双足步行机器人相关翻译

本科毕业论文

外文文献及译文

文献、资料题目：Walking Control algorithm of

Biped Humanoid Robot

文献、资料来源：期刊

文献、资料发表（出版）日期：1999.6.3 院（部）： 理学院

专

业： 光信息科学与技术 班

级： 光信112 姓

名： 王若宇 学

号： 2011121135 指导教师： 赵俊卿 翻译日期： 2015.5.14

山东建筑大学毕业论文外文文献及翻译

外文文献：

Walking Control algorithm of Biped Humanoid Robot

Many studies on biped walking robots have been performed since 1970 [1-4].During that period, biped walking robots have transformed into biped humanoid robots through the technological development.Furthermore, the biped humanoid robot has become a one of representative research topics in the intelligent robot research society.Many researchers anticipate that the humanoid robot industry will be the industry leader of the 21st century and we eventually enter an era of one robot in every home.The strong focus on biped humanoid robots stems from a long-standing desire for human-like robots.Furthermore, a human-like appearance is desirable for coexistence in a human-robot society.However, while it is not hard to develop a human-like biped robot platform, the realization of stable biped robot walking poses a considerable challenge.This is because of a lack of understanding on how humans walk stably.Furthermore, biped walking is an unstable successive motion of a single support phase.Early biped walking of robots involved static walking with a very low walking speed [5,6].The step time was over 10 seconds per step and the balance control strategy was performed through the use of COG(Center Of Gravity).Hereby the projected point of COG onto the ground always falls within the supporting polygon that is made by two feet.During the static walking, the robot can stop the walking motion any time without falling down.The disadvantage of static walking is that the motion is too slow and wide for shifting the COG.Researchers thus began to focus on dynamic walking of biped robots [7-9].It is fast walking with a speed of less than 1 second per step.If the dynamic balance can be maintained, dynamic walking is smoother and more active even when using small body motions.However, if the inertial forces generated from the acceleration of the robot body are not suitably controlled, a biped robot easily falls down.In addition, during dynamic walking, a biped robot may falls down from disturbances and cannot stop the walking motion suddenly.Hence, the notion of ZMP(Zero Moment Point)

第三篇：四足步行机器人外文翻译1

新兴的运动模式四足机器人气动肌肉用的模型

保德山田，聪西川，伊士达和康夫国芳 研究生信息科学与技术学院，东京大学

大学院情报研究，东京大学

1、动机，问题的陈述，相关工作

动物的进化过程形成了形态和神经系统从彼此相互适应而达到一个在环境中有效的感觉整合。作为一个结果，各种复杂行为的标志，通过能耗效率以及从动态自组织产生互动的身体、神经系统和环境。这些技能是可能的，一方面，因为神经系统利用身体的物理属性，而另一方面通过感官刺激形成体动力学神经力学结构。这构成了一个体现智能[1] [2] [3]的基本属性。

近年来,许多研究已经发展到更好地了解潜在的机制动物的运动技能和如何将它们应用在机器人[4][5]。此外，特定的注意力被集中在中央的模式发生器在仿生机器人[6]中来复制动物运动。举例来说，像狗一样的铁拳系列[7]可以使用感官反馈实现稳定的运动，而类似昆虫的AMOS-WD06[8]可通过利用中央政府模型的混沌特性产生各种复杂的行为。然而，这些机器人不用容易开发的物理身体就能实现运动，是因为身体过于僵化或受线性电磁马达控制。相反，动物的骨骼肌肉系统是一个复杂和冗余的非线性结构形态构成粘弹性肌腱组织材料[9]的肌肉。一些研究都集中在中枢神经系统和他们的身体的研究[10][11] [12]。出于这个原因，我们建议在四足机器人中调查这个问题，以及神经系统随着体动力学系统如何互相感应，以产生各种适应性行为的议案。

2、技术方法

我们设计了一个简单的十分真实的四足机器人去捕捉动物骨骼系统的重要特征，以实现对神经系统的体现。古典驱动器已被麦吉类型气动人工肌肉替换，根据阻尼和弹性，重现一些生物肌肉的非线性特性 [12] [13] [14]（图1）。在真正的肌肉中，传感反馈是通过感觉到的肌肉长度的肌梭和感知肌张力的高尔基腱器官完成的。我们通过使用压力传感器和电位器计算长度和人工肌肉的张力来复制此功能的。

基于生物学的考虑，我们用小原国芳与他的同事们开发的脊髓延髓的系统模型设计了神经系统[15] [16]（图2）。一个的脊髓延髓模式的单一元素组成肌肉、一个α和γ运动神经元、传入感觉中间神经元和神经的振荡器模型。虽然每个元素不直接连接到总体，我们预计机器人的振荡器的非线性光学性质将建立弥散的互感器和动力连接器条件从而产生全身的不同运动（图3）。

图1.麦吉气动人造肌肉的类型。

图2.脊髓延髓模型。箭头和填充圈分别代表兴奋和抑制的连接。

图3.脊髓延髓中体现的模型。

3、结果

在我们的实验中，感觉身体之间的动力学与在同样的一个实验中用自我组织的各种行为模式时尚的脊髓延髓系统修改动态的腿配位顺序之间的相互作用。

例如，机器人需要几个步骤产生动态向前运动（图4左）。然后，通过执行向后运动的几个步骤（图4中），机器人切换到另一个模式。一段时间后，返回到其先前的运动状态和重新生成向前运动（图4右）。在实验中每个关节的角度来看，我们观察到一些相同步和相交错模式（图5）。

我们注意到，这种类型的运动在整个实验中并不经常发生，这表明了系统的动力学性质。例如，在一个实验中，我们观察到的运动仅仅只是向后的。然而，这种行为运动显示了各种模型例如左腿和右腿之间或者两腿交错间的自动相位同步模型。

图4.运动行为的快照

图5.时间序列的关节角度.4、实验

我们进行了一些实验来生成四足动物骨骼机器人的模型（图6和图7）的运动行为。在脊髓延髓的模型中，每个机器人的腿部肌肉是相互隔离的，并且没有直接联系。然而，我们预测，化身将在与环境的相互作用中为弥散互感器创造条件，目的是产生各种自适应行为模式。

人工肌肉从外部压缩机提供空气，我们使用比例压力控制阀控制肌肉内部的压力。机器人安装有中央处理器板运行实时操作系统向压力阀发送的命令和从压力传感器、电位器接收传感器值。一个CPU板和计算神经动力学与外部PC机进行通信。

图6.四足气动肌肉机器人

图7.肌肉的布局。红色部分代表气动人工肌肉，蓝色部分代表的是被动肌肉构

成弹簧。

5、实验的主要见解

在实验中，虽然我们对神经系统的模型使用相同的参数，但是我们还是观察到各种复杂的运动模式。这些运动模式是个别肌肉的动态连接器的结果–即，它们之间并没有直接的连接：通过物理身体和神经系统与环境的动力相互作用。这一动态同步的机制是复杂和与环境相适应的，它探讨了身体的自然运动模式。

在今后的实验中，我们将进一步研究行为的自我组织模式机制所需的身体的性能和有利于构成这一组织模式机制的神经系统。

参考文献

[ 1]R.A.布鲁克斯.“无表征智能，人工智能”.1991,d第3期，卷47，第139–159.[ 2]R.普法倚费尔,C.西契尔.了解情报.麻省理工学院出版社，1999.[ 3]R.普法倚费尔,J.C 本哥德.我们认为身体是如何形成的：一种新的智力观.麻省理工学院出版社，2006年.[ 4]H.木村，K.土屋，A.石黑，H.维特.动物和机器的自相适应运动.高等教育出版社，2005年.[ 5]J.埃尔斯，J.L.戴维斯，A.鲁道.仿生机器人的神经技术.麻省理工学院出版社，2002年.[ 6]A.J.依思皮特，动物和机器人的中枢模式发生器运动控制：审查，神经网络，2008，第4期，21卷，642页–653页.[ 7]H.木村，Y.福冈，A.H.科恩.“适应在地面上动态行走的四足机器人的生物学概念”.国际机器人研究学报，2007, 第5期，26卷，475页–490页.[ 8]S.斯特恩哥如布，M.泰姆，F.沃尔戈特，P.Manoonpong，“自组织适应一个简单的神经电路，使复杂的机器人的行为成为可能”.自然物理学,2009,卷6，页224 –230.[ 9]R.M.亚力山大,H.班纳特-克拉克.“肌肉和其它组织存储的弹性应变能”.自然科学，1977，第5590期，265卷，114页–117.[ 10]R.普法倚费尔，M.伦加雷拉，Y.小原国芳.自组织生物启发的机器人的化身 ”.科学，2007年11月,卷318，页1088-–1093.[ 11 ]A.彼蒂，Y.小原国芳.产生时空动态分布联合转矩模式同步模式发电机，前沿神经机器人，2009，3卷，2号，1页–14.[ 12 ]AR皮蒂，是有关新山志保，与国芳，“创造和调节节奏的控制身体的物理，“自主机器人，28卷，3号，317页–329，2010.[ 13]G柳巷芳草，J.czerniecki，和B纳福，“麦吉人工肌肉：气动执行器与生物力学的情报，在先进的智能机电一体化，1999.诉讼.1999届国际会议预报，1999，页221 –226.[ 14]R.A是有关新山志保，nagakubo，与国芳，“无忌：一个双足跳跃和着陆机器人与人工肌肉骨骼系统的过程中，“参考国际机器人与自动化（互联网内容分级协会2007），罗马，意大利，四月，2007，页2546-2551（–thc5.2）.[ 15]Y国芳和铃木，“动态的出现和适应行为体现为通过耦合混沌领域，“程序.国际参考智能机器人与系统，2004，页2042 –2049.[ 16]Y国芳和美国sangawa，“早期运动的发展从偏序神经体动力学：实验与cortico-spinal-musculosleletal模型，“生物控制论，卷95，页589-–605，2006.

第四篇：四足机器人的翻译有图兼容

机器人技术和计算机集成制造

多功能四足机器人的模块化设计

摘要

现代工业使用多种类型的机器人。除了普通的机械手臂，两足，三足，还有四足机器人，四足机器人最初是为了开发玩具，现在越来越多的应用于制造业中。这项研究始于建立具有多种功能的四足机器人平台，高灵敏度，模块化装配，这是我们构造工业机器人的基本模型。在额外负载下，四足机器人的四条腿能增强其承载能力，它的可靠性要高于两足或三足机器人，这有助于它携带更多的物品并提高性能。根据不同的要求和制造工艺要求，高度敏感的四足机器人提供了一个扩展接口，添加不同的传感元件。此外，当与无线通讯模块或独立的1.2GHz的射频电荷耦合装置无线图像传输系统相结合，用户可以远程控制机器人，即时。该设计有助于四足机器人扩大其应用。通过拆装模块和改变传感元件，高度敏感的四足机器人可用于不同的任务。此外，机器人的远程控制功能将增加与人类的相互作用，因此它可以非常多的卷入人们的生活工作。四足机器人平台将为不同的工业机器人的商业化设计提供参考，并将提供更多的选择和有用的创意应用工业机器人的设计。1.介绍 1977年，Gollidary和Hemani [1]采用拉格朗日动力学理论推导出的线性化的双足机器人数学模型来分析其稳定性，可操作性，和可观察性。1980年，Miyazaki和Arimoto [2] 应用奇摄动法将双足机器人的快速模式和慢速模式的动力学行为进行分类，然后他们在此方法的基础上设计的控制器。1986年，Railbert出版了他的著作《步行机器人的平衡》，这对单足，双足和四足油压机器人的研究作出了卓越贡献。双足机器人结合不同学科的研究，如机械学，电子工程，控制工程，生物工程和机器人技术。主要研究内容包括腿部机制的设计，步态规划，步行跟踪和平衡控制理论。Hira [3]设计的全负荷二自由度双足机器人，该机器人是由一个骨架和两个延伸脚。它的机械系统有4个自由度，2个旋转和2个移动自由度，减去2个限制自由度，两足的总长度是一个常数。骨架存放在两腿之间的中心。为了防止它倾倒，机器人的腿和脚安装垂直于地面。从侧面看，它就像3连杆的运动。因此，双足机器人能够在地面上直立行走。日本本田的第一代机器人是由本田R&D中心[3]研发。

该机器人没有身体，只有一个连接手臂的悬空骨架。这个双足机器人有12个自由度，包括3个髋关节自由度，1个膝关节自由度，2个踝关节自由度，从正面看有5联接4自由度，从侧面看有7联接6自由度。两腿的重量大约只有总重量5-10％。如果装载的手臂对平衡没有影响，并且两个手臂重量占总重量的比重小，那么机器人将可以步行上下楼梯，在斜度小于10度的斜面上前进或者后退。在成功操作机器人移动或者将物品从一个地方搬运到另一个地方之前，必须要跟随一种运动轨道。有几种方法来生成行走轨道，一种是通过观察真人的步态，而另一种通过即时计算。1970年，Vukobratovic等人，通过数值方法计算双足机器人的动态移动路径，Kato通过相同的方法得出了他的双足机器人的动态移动路径，然而，当机器人移动时，它需要较长的时间来计算所涉及到的轨迹，而且这很难适应不同的表面。除非CPU可以更快或简化算法，数值方法仍然有计算缓慢的问题，其他的方法来生成行走轨道包括输入最小能量，用神经网络和遗传法则。

机器人的手臂自由度取决于机器人的类型，灵活性可以像人类的手臂一样。机器人手臂运动学是关于机器人手臂在一段时间内相对于固定坐标系的运动。在传统的分析中，机器人的底部被当作一个参考点，其他运动必须以该参考点为基础。一旦我们知道机器人手臂上所有联结点的位置，我们可以计算出手臂端部在空间的确切位置。现代商业机器人配备了混合旋转和滑动节点来与手臂或机器人手腕部分相连。旋转结点控制了两个连杆精确的角度运动，滑动结点仅控制两个连杆的线性运动。从理论上讲，其他的连接关系是可能的，然而，事实上只采用这两个连接。连杆和结点的串行联结叫做链，链可以打开或关闭。每一个链末端的连杆只连接一个结点，一个开式链指不连接靠近底部的连杆，相反一个闭合链指连接在前结点的连杆。现代工业机器人的主要类型是开式链。分析和控制机器人的手臂需要分析控制理论的发展。一个拥有多个结点的手臂被相互作用的内力和外部环境所影响，需要更加复杂的分析，Paul在同质变换矩阵方法和坐标转换领域的研究对机器人运动的分析是有益的参考。给定一个较大的模型或一个复杂的生物系统，人们通常面临的问题是需要对很多的参数进行调整。参数之间的广泛因素的相互作用，使得对模型的动态行为分析变得困难，参数的含义和值有助于克服这个问题。在这里，我们可以使用一个渐进的实验技术（称为侦察）去自主探索参数空间。这是一种自主探测技术，它使用理论值和实验值之间的偏差作为合适的估算值。为了获得大的动态生物学模型的运动信息，这种方法已被广泛应用。

对于建立多种功能的四足机器人平台要结合不同的学科，如机械力学，电子工程，控制工程，生物工程和机器人技术等。影响设计四足机器人的因素中，首先要探讨腿部机制的设计，步态规划，路径跟踪，平衡控制理论。本研究采用程序语言去设计一切与构建多种功能的四足机器人平台有关的步态运动，编辑整合之后，加载所有运动到机器人的内部存储器，另外，这项研究结合了一种可靠的低成本的电路程序，用以减少发展四足机器人的障碍，并鼓励作进一步的研究。我们还开发了外部控制连接接口来加载不同的传感器到机器人上，此外1.2GHz的无线图像传输系统安装在机器人上为用户提供了实时监测功能，最后，机器人加载无线通信模块，该模块的开发有利于改善机器人的灵活性，并有效的降低开发成本。这样新模块在设计和执行机器人的特殊运动时将缩短发展过程大大降低机器人成本。2.研究方法 2.1.文件分析

收集所有涉及步行机器人的文献和数据筛选出制造步行机器人的相关理论。2.2.理论分析

在正式执行之前，对步行机器人的运动作理论分析，这包括分析机器人的重心，电机的运转方向，角度和旋转速度。在实际执行之前必须要有理论上的可行性。2.3.模块理论

在这项研究中，四足机器人的所有功能被分为五个模块来执行和监测。当所有功能运作时这些模块连接在一起，这种方法不仅简化了开发了过程，而且会导致调试更加简便。此外，它大大改善了机器人的生产。下面来描述这五个模块： a）控制模块接口和电路设计； b）机器人身体模块——发动机机构；

c）视觉系统模块——1.2G电磁耦合图像传输系统； d）无线通信模块——2.4GHz射频通信模块或GSM模块;e）传感器：红外传感器，二氧化碳传感器，温度和湿度传感器等。2.4.测试理论

该方法包括发展四足机器人的不同步行运动和节省内存消耗，用户通过无线通信模块远程控制机器人并且通过视觉系统观测实时图像。最后，装在机器人上的传感器收集外部数据利用通信模块向用户报告。2.5.四足机器人的运动分析

在这项研究中，四足机器人的运动学，动力学和静力平衡将被使用。D30 ——高达31种智能电动机用来控制。位置代码：0-254（位置）

结束代码：（电动机转速串行代码XOR位置代码）0*7F

图2显示了串行控制示范。

图二：串行控制的示范 3.6.完整系统四足机器人的基本结构

控制端（PC和单片机）能够同时控制多达31个智能电机，采用串行传输，控制端驱动电机移动到目标角度，利用电动机之间的数据传输，控制端能够控制和连接电机。在这项研究中四足机器人的设计分为三部分，第一部分是基础结构的设计，包括14个电机的连接，电机连接组件和四足机器人的外形。第二部分是有关控制器的设计，包括固件设计（用KeilC语言在微处理器中程序控制），硬件设计（简单的控制电路），以及软件设计（用VB语言进行人机交换）。最后一部分是外部硬件集成，包括两重半双工无线通信模块，1.2GHz的无线图像传输系统和传感器。三个部分综合，四足机器人的原型就设计完成了。图3显示了完整系统四足机器人的基本结构。

图三：完整系统四足机器人的基本结构 3.7.设计和执行四足机器人的硬件控制电路

图4显示了设计和执行四足机器人的硬件控制电路，硬件设计集成了微控制器（来自ATMEL公司的AT89S52芯片），内存（四足机器人运动命令的存储空间），电源模块（提供电机和电路所需的电源），智能电机的控制接口（连续传输的电机控制），无线通信接口（2.4GHz射频无线通信模块），接受来自外部传感器的数据连接引脚，用于连接到电脑，下载运动命令的PC端通信接口，以及用来切换不同控制模式的旋转开关。结合上述电路，就完成了机器人的控制功能。

图四：设计和执行硬件控制电路 3.8.四足机器人的路径规划

为了让四足机器人平稳的移动，四足机器人的运动曲线被用来解释它如何运动，相应的程序如图5。在这项研究中，运动学，动力学和四足机器人的静力平衡将被使用。DH的坐标系中用连接轴来描述。当每个关节旋转角度已知，机器人的关节在坐标系中的位置矢量能够通过矩阵变换计算得出，通过求解矩阵，可以获得运动学的解决方法，然后用几何学推倒出逆运动。如果四足机器人的位置和连接轴的长度已知，有必要用运动学反解来得出每个连接轴的角度。

图五：机器人运动的程序研究 3.9.四足机器人的身体模块

在这项研究中，14个智能电机被用来作为四足机器人的主要动力，在头部和颈部有一个单独的电机，四个脚上各有3个电机。通过连接电机的附件，单个的铝芯片，铜柱子，就完成了四足机器人原型。装载以前的硬件电路和所有运动程序（前进，后退，左转，右转，坐下，跌倒后自动站起来）后，包括留在内存中的运动，机器人能够完成机构范围内的所有运动。四足机器人的身体模块如图6所示。

图六：四足机器人的身体模块 3.10.四足机器人的视觉系统模块

外部1.2GHz的无线图像传输模块通过USB转换接口将图像传输进PC端，用户甚至可以用录像功能将目标图像保存为AVI（MPEG-4）格式。

3.11.四足机器人的无线通讯模块

在这项研究中用到的2.4GHz射频无线通信模块具有nRF2401的单片机和2.4GHz无线收发器，采用半双工交流来双重传回数据。只要2.4GHz无线通信模块在运作，发射机的功率灯就一直亮着。当按下任何控制键，由于数据的传输将会亮，此时，控制按钮可以用来驱动四足机器人的运动。当传感器接收到返回数据时，灯变亮并显示传感器的状态。如果没有按下控制键，发射器和接收器保持通信连接来提供双/半双工功能。用GSM通信模块，用户可以使用手机远程控制机器人。当用户按下了移动电话的按钮传送信号到GSM模块，机器人的微控制器解码信号然后机器人移动，接着控制器发送AT命令，并与GSM模块通信得到传感器的状态报告。

本研究使用红外接收器模块来作为监测装置。该传感器随着温度的变化而产生电荷，因为它是热电红外接收器。接收器的温度范围为-10和+50℃，直流电压范围为3至15V。通过扩大探测器的输出，经过电压比较器电路的传递，接收器可以监测到人体。传感器接受所有发热物体发出的红外线，包括人体。当没有监测到发热物体的运动，传感器的输出为0V。当监测到发热物体，传感器的输出为5V。机器人通过分析传感器的输出监测发热物体，并将结果通过2.4GHz的射频无线通信模块传回给用户。这项研究将开发可扩展的连接电路，当用户将不同的传感器连接到仪器板，物体被监测到时仪器板上会输出一个5V电压，控制器立即将返回的信号实时报告给用户。3.12.四足机器人模块

上述图像的上半部分显示了1.2GHz的射频无线图像传输模块的镜头。四足机器人可以为用户端提供从镜头捕获的图像，通过控制在颈部和头部的电动机的运动，机器人可以移动镜头的位置并锁定观测图像，红外传感器位于颈部的电机上方的乳白色半圆顶，是人体探测器。控制器分为两个部分，上半部分是2.4GHz射频无线通信模块，用来接受用户的命令和传回检测信号，下半部分是控制机器人运动的控制模块。控制器下方是8.4 V，2000 mAH的锂电池，这种电池完全支持四足机器人的电力需求。图7显示了四足机器人的整体设计。

图七：四足机器人的整体设计 4.结论

多种功能的四足机器人平台的主要设计概念是基于固定硬件的规格与不同传感器的组合，用来满足不同情况下的特别要求。因此，不需要因特别需求而开发新的机器人。另外，这项决议减少了开发成本和时间，随着机器人的传感器格式而重新设计传感器，用户可以在短时间内改变机器人的固件。通过改变模块，四足机器人能够扩展功能，用以监测，扫描，援救，监视甚至家庭护理，它的遥控功能增强了机器人与人的互动，并有可能大大改善人们的生活。在研究中固件改变这一观念将是机器人发展的主要方向之一，这一概念不仅降低了开发成本，而且使廉价多功能机器人成为可能，这将大大有利于在未来发展和传播机器人。多功能四足机器人平台的确立将为工业机器人的设计和生产提供多种选择。在工程制造领域，我们可以设想四足机器人将适用于今后不同的应用，工业机器人的应用前景将取决于制定四足机器人规范的实际需求。鸣谢

这项研究是由美国国家科学理事会支持，根据合同96-2622-E-152-001-CC3 和 96-2411-H-152-003.参考书目

[1] Golliday CL, Hemami H.《两足运动的分析和机器人运动控制的设计》。自动化控制电子工程理事会，1997，22(6):963–72.[2] Miyazaki F, Arimoto S.《两足动态运动控制理论的研究》。ASME期刊动态系统测量和控制1980年，102:233-9。

[3] Hira K.《从当前和未来角度看本田拟人机器人》。见：1997年国际电子工程师协会会议关于智能机器人系统，1997.p.500–8.[4] Sadain P, Rostami M, Thomas E, Bessonnet G.《双足机器人：工艺设计和动态行为的相关性》。控制工程实践，1999;7:401–11.[5] Ambarish Goswami.《双足机器人的稳态和脚步旋转指示点》。国际机器人研究杂志，1999，18:523–33.[6] Frank AA.《近似动态分析和双足机械运动的合成》。医学和生物工程，1970，8:465–76.[7] McGeer T.《用膝盖被动运动》。电子工程师协会会议关于机器人与自动化，1998，3:1640–5.[8] Shih GL, Zhu Y, Gruver WA.《双足机器人的运动轨迹优化》。见：复杂系统的辅助决策，会议记录，国际电子工程师协会会议，vol.2, 1991.p.899–903.[9] Meifen Cao, Kawamura A.《对双足运动模式的产生的神经网络优化设计安排》。见：第五届先进运动控制的国际研讨会，1998.p.666–71.[10] Denavit J, Hartenberg RS, Kinematic A.《基于矩阵的低副机构符号》。美国机械工程师协会期刊关于应用力学，1995:215–21.[11] Shih CL, Chi CT, Lee YW.《直流电机的双足机器人的行走实验和位置控制》。第四届国际电力电子会议，日本东京，2000.p.1249–54.[12] Jen-Chao Tai, Hsin-Te Liao, Ch’ing-T’ien Ch’en.《机电一体化》。台北，高李图书，2003.p.307.[13] Jones Bryan A.《机器人连续运动的实时执行》。电气与电子工程师协会理事会关于机器人技术，2006，22(6):1087–99.[14] Woodarz D, Nowak A.《特效治疗机制可以导致长期的免疫控制》。HV.PANS 1999，96(25):14464–9.[15] Pfaffmann JQ, Zauner KP.见：Keymeulen D, Stoica A, Lohn J, Zebulum RS编辑《侦查上下敏感度综合》。Los Alamitos, 2001.p.14–20，Nowak A.《特效治疗机制可以导致长期的免疫控制》HV.PANS 1999，96(25):14464–9.

第五篇：四足机器人的动力学分析与仿真

四足机器人的动力学分析与仿真

张锦荣1，王润孝2

（1长安大学，西安 710064，2西北工业大学，西安 710072）

摘 要: 针对四足机器人的结构特点，利用拉格朗日法导出其简化结构多刚体系统的动力学方程组。同时利用ADAMS建立了四足机器人的虚拟样机，采用规划好的步态，对其进行动力学仿真，仿真结果验证了动力学数学建模的正确性及结构设计的可行性，为提升控制品质的后续研究工作提供有价值的数据信息。关键词：四足机器人；动力学；仿真

Dynamic analysis and simulation on quadruped robot

Zhang Jinrong1，Wang Runxiao2

(Chang'an University，Xi an 7100764；Northwestern Polytechnical University，Xi an 710072)Abstract: Based on the structural characteristics of quadruped robot, dynamic equation group for simplified-structure of the quadruped robot’s multi-rigid body system is educed using Lagrange principle.A virtual prototypes is established using ADAMS, and simulated in using its planned gait.Simulation results tested the exactness of dynamics model and the rationality of structure design as well as provide valuable data information for further research on improving control quality of the quadruped robot.Key word: quadruped robot;dynamics;simulation

与传统的轮式、履带式机器人相比，四足机器人有很强的环境适应性和运动灵活性，既可以进入相对狭窄的空间，也可以跨越障碍、上下台阶、上下斜坡甚至在不平整地面上运动，因此，对四足机器人的研究已成为机器人研究领域的重要课题。

四足机器人是主动机械装置，每个关节可单独传动。从控制理论的观点来看，机器人系统是个复杂的动力学耦合系统，其数学模型具有显著的非线性和复杂性，而动力学问题又是实现高精度控制与机械设计的基础。[1] [2]本文以四足机器人为研究对象，对其进行了动力学建模与仿真，为后续机器人的控制算法提供了数学模型，也为机器人的结构优化设计与关节驱动电机、减速器的选型等提供理论依据。四足机器人结构设计

四足哺乳类动物的每条腿由五段组成，通过与躯干的连接构成五个关节，每个关节至少有一个自由度，这种超冗余自由度使动物的运动极其灵活。但是，在四足机器人的结构设计中，为了降低控制的复杂程度，它的腿部不可能像动物那样具有五段和超冗余自由度。[3]在力求达到机器人运动的灵活性的前提下，对机器人的肢体结构进行合理简化，如图1所示，腿部结构包括侧摆、大腿、小腿三部分，这三部分由直流电机带动其绕各自关节轴摆动，形成侧摆、髋和膝关节，其关节配置形式为全肘式，即前后两对腿全部为肘式关节。由于它的每条腿有三个自由度，所以理论上能同时满足空间三个方向的自由度要求。

(a)结构简图

(b)机械结构

图1

四足机器人结构 四足机器人的动力学建模

机器人动力学分析常用的方法有牛顿－欧拉方程和拉格朗日法。拉格朗日法是一种功能平衡法，它只需要速度而不必求内作用力，是一种直截了当和简便的方法。本文利用拉格朗日法来分析和求解了三自由度步行足的动力学方程。

四足机器人的肢体结构如图2所示，侧摆关节在YOZ平面转动，m1、m2和m3分别为侧摆、大腿和小腿的质量，且以腿末端的点质量表示，

1、2和3是关节转角，g为重力加速度。

图2 四足机器人的肢体结构 机械系统的拉格朗日动力学方程[3]为

TidEKEKEP

（1）idtqqiqii为式（1）中，EK为系统的总动能，EP为系统的总势能，qi是为关节的角度坐标，q关节的角速度，Ti称为关节力矩。杆件i质心的线速度和角速度可表示成：

iii1JLiiJL

（2）qq

viJL1q

1JAiqiJAq

（3）

ωiJA1q

式（2）、式（3）中JLi和JAi分别是与第i个连杆重心位置的平移速度和转动速度相关的雅可比矩阵，则：

iii1n(i)T(i)TJL

（4）JLq系统的平动动能

EK1miq

2i11nT(i)T(i)JAIiJAq

（5）系统的转动动能

EK2q 2i1系统的总动能为平动动能和转动动能之和，为

1n(i)T(i)(i)T(i)TJLqTJA)

JLqIiJAq

EKEK1EK2(miq2i11THq

（6）

q 2式（6）中H由公式（7）获得

H系统的总势能为：

(mJii1n(i)TL(i)(i)T(i)JLJAIiJA)

（7）

EpmigTr0,i

（8）

i1n式（8）式中的r0,i是第i根杆件的质心在参考坐标系中的位置 由（1）、（6）、（8）式，得各关节力矩

TiHj1nijjjhijkqjqkmjgTJLiq

（9）

j1k1j1nnnhijk式（9）中，Hijqk0.5Hjkqi

（10）模型的仿真验证

ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System）是集建模、求解、可视化技术于一体的虚拟样机软件，是目前世界上使用最广、最负盛名的机械系统仿真分析软件。1）ADAMS仿真模型等效转换

ADAMS软件虽然可以实现机械系统的建模过程,但软件所提供的建模工具相对比较简单,对于复杂的机械统,仍需依靠SolidWorks、Pro/E等三维实体造型软件。

为了减少仿真的困难，本文根据各个部件的实际情况，对一些附加零件进行简化，简化为由数个刚体组成的刚体模型，同时注意尽量保持跟实物相近的几何外观。简化这些附加零件的办法是在用Solidworks软件建立好的完整模型中加入各种零件的材料密度或重心、转动惯量的物理参数，再根据刚体的实体体积，折算出相应的密度，再将这些物理参数加到简化后的模型上。最后将简化后的装配 体导入ADAMS。

2）施加运动约束、驱动与作用力

侧摆、膝关节、髋关节分别用旋转约束副约束，方向与系统实际运动保持一致。四足机器人在爬坡或遇到障碍时，各腿的侧摆关节起到调节机体平衡的作用，为了验证四足机器人在平坦路面行走的动力学特性，假设侧摆关节固定，其余关节采用符合四足哺乳动物肢体运动关系的正弦函数和半波函数驱动。另外，在建立仿真模型时，还做了如下假设：足与地面的摩擦力无穷大，在行走过程中，支撑腿的足端与地面没有滑动；驱动功率满足要求；不考虑关节摩擦。虚拟样机模型如图3所示。

图3 ADAMS/View中的虚拟样机模型

3）仿真结果

对于trot步态[4]，即两对对角腿的运动完全对称，选择右前腿和左后腿这一对角腿为例进行分析，它们的髋、膝关节驱动力矩如图（4）~（7）所示。

图4 右前腿髋关节力矩与关节转角

图5 右前腿膝关节力矩与关节转角

图6 左后腿髋关节力矩与关节转角

图7 左后腿膝关节力矩与关节转角

从图（4）~（7）还可以得出如下分析结果：髋关节和膝关节的驱动力在支撑相时大于摆动相；除雅可比奇异状态（摆动相的末端点，J0，仿真图上出现力矩的突变）以外，髋关节的驱动力矩主要集中在25NM的范围内，膝关节的驱动力矩主要集中在50NM的范围内。此外，从拉格朗日动力学方程可以看出，在模型结构参数不变的前提下，驱动力矩与角加速度、角速度有复杂的非线性关系，仿真结果也验证了这一点。结论

1）应用拉格朗日动力学理论建立了四足机器人的动力学模型，为后续机器人的结构优化设计提供了理论依据和为机器人的控制算法提供了数学模型。

2）利用先进的动力学仿真软件建立了四足机器人虚拟样机，通过动力学仿真得出各腿髋关节和膝关节的驱动力矩，仿真结果可以为关节驱动电机和减速器的选型等提供依据，同时也验证了数学建模的正确性与结构设计的合理性。

参考文献

[1]洪嘉振著.计算多体系统动力学.北京:高等教育出版社，2003.[2][德]J.维滕伯格著,谢传锋译.多刚体系统动力学.北京:北京航空学院出版社，1986.[3]王沫楠.基于ADAMS软件两栖仿生机器蟹的动力学建模与仿真[J]．哈尔滨工程大学学报，2003，4 [4]张秀丽．四足机器人节律运动及环境适应性的生物控制研究[M]．清华大学，2004