仿生四足机器人的研究：回顾与展望
Yibin Li, Bin Li, Jiuhong Ruan and Xuewen Rong, Member, IEEE
摘要：本文侧重于仿生四足机器人。在这一领域的主要挑战是如何设计高动力性和高负载能力的仿生四足机器人。本文首先介绍了仿生四足机器人，尤其是具有里程碑意义的四足机器人的历史。然后回顾了仿生四足机器人驱动模式的现代技术。随后，描述了四足机器人的发展趋势。基于仿生四足机器人的技术现状，简要回顾了四足机器人的技术难点。又介绍了山东大学研制的液压四足机器人。最后是总结和展望未来的四足机器人。
一、导言
代替人类在复杂和危险的环境中工作的移动机器人的需求引起越来越多的关注，如煤矿井下，核电站，以及打击恐怖主义的战争。一般移动机器人可分为三种类型：空中机器人，水下机器人和地面机器人。地面机器人的开发主要是运用轨道或轮子。轮式和履带式机器人可以在平整地面工作，但大多数是无法在凹凸不平的地面上工作。换句话说，现有的地面机器人只能在部分地面工作。与轮式和履带式机器人相比，腿式机器人有可能适应更为广泛的地形，就像如同有腿的动物，几乎可以行走在所有的地形。例如，羚羊具有很强的运动能力，即便在高度复杂的环境中也一样。因此，近些年人们积极地投入腿式机器人的研究中。腿式机器人可以去动物能够到达的地方，应该要构建并运用于实际。尽管机器人技术领域取得了巨大成就，腿式机器人仍然远远落后于它们的仿生学 [1，2]。
基于机械结构，腿式机器人可分为步行机器人和爬行机器人。与爬行动物的机器人相比，步行机器人几乎与躯干垂直的腿被认为更适应载重。步行机器人可以有效地承受更大的载重。具有联合执行机构的步行机器人具有良好的行走速度和运输能力。因此，基于哺乳类动物的仿生机器人的研究已成为机器人领域的重要发展方向。
现已有一、二、三、四甚至更多条腿的腿式机器人。最普遍的是具有高效率步态和稳定性能的偶数条腿的腿式机器人 [3]。在腿式机器人中，四足机器人具有良好的机动性和运动稳定性，而典型的双足机器人，缺乏运动的稳定性。从系统和控制器的设计上来看，四足机器人也是一个不错的选择。另一方面，四足机器人在构建和维护上又比六足要简单。四足机器人比轮式或履带式机器人更加灵活，并比双足机器人稳定。因此，许多研究人员和组织在生物动态步态的启发下致力于四足机器人的研究，以使机器人具有高平衡能力和高负载能力。在一般情况下，为了提高运动稳定性，增加步行速度和运输能力，就需要具有大带宽和高输出功率的液压执行机构。机器人控制系统，即用来控制四足机器人动作，步态生成和转换，应在在未来得到研究和解决。
本文组织如下：在第二部分回顾了四足仿生机器人的历史和驱动模式的发展趋势。第三部分介绍了四足机器人的发展趋势。然后，在第四部分分析了四足机器人的技术难点。第五部分介绍了中国山东大学正在开发的液压四足机器人。最后一部分是总结和展望未来的四足机器人。
二、四足仿生机器人的历史
本节回顾具有联合执行机构的四足仿生机器人的历史。我们首先关注基于仿生学的四足机器人的发展现状。然后回顾了四足机器人的驱动模式的发展趋势，
特别详细介绍了液压驱动，这样一个提高了动力性能和负载能力的新型驱动模式。
A.四足仿生机器人的历史
四足机器人的调查始于20世纪60年代，而四足机器人的动态运动性能的研究则是从20世纪80年代开始的。Marc Raibert和他的同事们在一、二四条腿的机器人腿部运动方面取得了巨大的成功。
20世纪60年代初，许多国外的科学家和研究人员致力于研究条腿式机器人。在1960年，Shigley提出采用联动机构，包括四杆机构、凸轮机构、缩放机构，作为腿式机器人的运动机构。腿部的运动由一组双摇杆机构控制[4]。McGhee和Frank于1966年制作了被称为“Phoney Pony”的四足机器。这是第一辆腿式的运载工具，在全电脑控制下自主行走。每条腿有两个自由度（DOFs）系统，并能进行简单的爬行运动，以及取决于选定状态图的对角线小跑。Phoney Pony具有十分重要的意义，因为它激发了McGhee去建立新的在步行机器人的历史上也起到重要作用的机器：OSU hexapod和Adaptive Suspension Vehicle（ASV）[5]。
在80年代初，美国麻省理工学院（MIT）的Marc Raibert，H. Miura，我以及日本东京大学的Shimoyama首次对步行机器人进行了系统的研究。Marc Raibert建立平面以及立体的独腿跳跃机器人。在Raibert关于跳跃机器人的三个控制原理的基础上，两足和四足可以跑可以跳的机器人随后也制造出来。这是四足机器人动态步态运动控制的一个里程碑[6]。在1984至1987年间，动态行走的四足机器人Collie-1和Collie-2已经研制成功，东京大学的Professor Miura和Professor Shimoyama对此进行了更深入的研究。这些机器人可以实现小跑和踱步以及小跑和踱步之间的过渡 [7]。
严格地说，TITAN系列四足机器人并不属于仿哺乳动物的机器人，但它也是机器人发展史上的一个里程碑。TITAN III是一种在TITAN系列中具有立体收缩结构腿的四足机器人。它安装了了姿态传感器和触须传感器，并装有智能步态控制系统，来根据传感器的信息作出决定，以实现静态地形自适应步行[8]。随着四足机器人的进一步发张，在德国一个名为“BISAM”的四足步行机器人由R. Dillmann和他的研究小组制造出来。一种基于耦合振子的自适应控制方法被用来模拟BISAM周期运动，在BISAM的实验平台上，一种基于仿生的为实现动态稳定运动的自适应控制架构——鲁棒控制法被提了出来[9]。
在1999年，基于中枢模式发生器（CPGs），Kimura和他的在京都技术研究所的同事们研究了四足机器人动态步行的方式。四足机器人Patrush以及后来的Tekken系列机器被开发出来。在Tekken系列中，独立的四足机器人Tekken II 是由电机驱动，使用了机械弹簧和关节间的柔性连接，采用CPGs和反射，实现了动态行走[10]。在2009年，Kimura又开始研制四足机器人“Kotetsu”，采用基于腿部加载/卸载的相位调制的方法，挑战了一般使用自适应动态行走的四足运动控制方法。
在1999年，一个动态稳定运行具有简单机械机构的四足机器人——Scout II 被麦吉尔大学机器人实验室(ARL)的Martin Buehler设计出来，用于探究哺乳动物的动态步态。
自1998年以来，斯德哥尔摩皇家技术研究所一直在开发一台名为“Warp1”适应复杂地形的四足仿生机器人平台。此平台的目的是研究在复杂环境中的自动行走和实现动静态的步行运动[13]。在2001年左右，斯坦福大学的Kenneth Waldron和他的团队与美国俄亥俄州立大学合作设计出了KOLT机器人 [14]。
Marc Raibert和他的同事们于1992年创立了波士顿动力公司（BDI）。他们于2004年重新启动四足仿生机器人的研究项目。此外，在2005年第一代的四足机器人被命名为“BigDog”。在2008年开发了第二代的BigDog，如图1所示。第二代的BigDog是1m长，0.7米高，重约75公斤。它的每条腿有四个自由度，有由液压驱动的转动关节，在脚上还有一个基于气动弹簧的被动线性关节。BigDog可以在30度的坡上行走，以1.8米/秒的速度慢跑，有超过153公斤的有效载荷，可以穿行于森林和冰雪，在冰上滑动或侧面被踢后恢复平衡[15]。
图1大狗机器人。
2009年12月，BDI已被美国国防高级研究计划局(DARPA)授予合同，研发LS3——第一梯队支持系统。LS3是一个动态的机器人，可以去任何士兵和海军陆战队可以步行到达的地方。每个LS3将携带400磅的齿轮和足够行驶20英里持续24小时的燃料。LS3不需要驾驶员，因为它会自动跟随计算机视觉的指引，
或者可以使用遥感和全球定位系统到达指定地点。BDI预计研发需要30个月，在2012年制成原型样机[16]。
2011年3月1日，由于DARPA的资金援助，BDI也将研发猎豹机器人。猎豹机器人将有四条腿，一个灵活的脊椎，铰接式头部/颈部，也可能有尾巴。它将比现有的所有机器人或是人类跑的都快，急速地转弯来追逐或者是逃避，可以迅速从静止加速，也可以迅速停止 [17]。如果猎豹机器人的原型可以实现，这将是机器人发展最重要的一个里程碑。
最近，韩国的工业技术研究所和ROTEM公司的研究人员开发了液压驱动的四足步行机器人。这个机器人的所有关节都是由液压旋转驱动器驱动，可以携带很高的载荷，并可以在崎岖地面快速移动。这种类型的机器人实现了在实验环境中地形小跑的步态[18，19]。
通过把液压装置与电动机相结合，意大利技术研究所的研究人员目前正在兴建的四足机器人（名为HYQ）可以执行高度动态的任务，比如双腿跳跃，单腿跳跃和奔跑[20]。到目前为止，机器人HYQ只是实现了对使用线性液压执行机构的单腿位置的控制。
除了国外机器人的发展，上海交通大学的Sunpei Ma于1996年首次在国内研制了一台名为JTUWM-III的机器人。JTUWM-III机器人的每条腿有三个活动关节和柔性关节。每个活动关节采用直流伺服电机来驱动 [21]。清华大学的Xiuli Zhang和她的同事于2003年开发了Biobot（仿生机器人）。她提出了一个基于Matsuoka振荡器的全面CPG拓扑网络结构。此外，还实现了有节律的运动和不同步态间的转换。在CPG模型的基础上Biobot在现实环境中的运动能力也得到了提高[22]。在2006年，Xuedong Chen和他的同事们开发出了名为“MiniQuad”的模块化的机器人，通过改变其模块布局，它可以被重新配置到包括四足和六足结构在内的不同结构中，以实现不同的任务[23，24]。此外，其他四足机器人也已被一些研究机构和大学研制出来，例如被中科院智能机械研究所报道的由西北工业大学开发的名为TIM1的仿哺乳动物四足机器人，以及中科院自动化研究所研制的由电力驱动的大型四足机器人。
B.四足机器人的驱动模式
一般情况下，机器人的驱动方式包括电动，气动和液压。
电动马达由于其技术先进性和低廉的价格的而成为机器人领域中最常见的驱动器。但是，减速齿轮是电动马达装置中最薄弱的环节之一，而且许多部件容易磨损。气动和液压非常相似，只不过气动采用了压缩气而不是液体来提供压力。气动系统的反应非常迅速。但空气的可压缩性导致系统的精确定位难以实现。
液压油工作在21MPa的高压（部分系统可达70MPa）。这使得液压装置有非常高的比功率，高带宽，快响应以及一定程度上的精准性[25]。液压装置在大功率的应用中是非常高效的。
近年来，许多研究人员一直在开发高度动态和重载任务四足机器人的液压驱动装置，因为它们的性质非常适合高度动态的腿式机器人。波士顿动力公司的Raibert 研发的BigDog是最为先进的液压驱动四足机器人[15]。许多其他液压四足机器人也被研发出来或正在被研发。例如，韩国正在研制的液压驱动四足机器人P2，将被用于军事上[18，19]。意大利技术研究所的研究人员正在研制结合了液压和电动的HYQ机器人，以实现高度动态的任务，像双腿跳跃，单腿跳跃以及奔跑[20]。
三、四足机器人的发展趋势
四足仿生机器人的发展趋势主要由液压装置的驱动功率模式决定，也就是需要提高其功率重量比，实现快速响应，较强的鲁棒稳定性和长距离行走能力。在复杂地形的环境识别，信息融合，步态生成，位置反馈调节，四肢躯干的轨迹规划以及稳定控制策略中的关键技术仍然需要更深入的研究。这种发展可以使四足机器人推广到实际应用中。具体的发展趋势如下
1）仿生：仿生造型和结构，仿生步态
千年的演化后，哺乳类动物的骨骼结构和步态及其独特的行走模式已达到适应环境的最高水平。因此，哺乳动物的身体结构，自由度和关节结构是仿生机器人的最佳参考。为了使设计的四足仿生机器人如哺乳动物般更加灵活和高效，结构和控制理论成为一个重要的发展趋势。
2）重量轻，高载荷：高功率密度驱动装置
具有功率密度高，重量轻和高负载的驱动装置是机器人研究领域中基础的关键技术。此外，它是四足仿生机器人实现高动态，高适应性和高负载的重大突破的先决条件和核心技术。
3）高机动性：快速响应，高速运动和适应环境
四足机器人的新水平和发展的必然趋势，是在复杂的环境中完成高品质的工作任务。快速响应和高速运动是处理环境干扰和地形变化的影响，尤其是在现场环境中的复杂任务的一个基本条件。快速行走能力也是一个研究的热点，同时是研究高性能四足机器人需要解决的重要课题。
4）智能：学习，进化和自动控制
模仿人类和生物的学习能力，演化和决策控制对实现机器人的智能化非常重要。这是机器人适应复杂环境，完成工作任务，自我学习，自我提升的先决条件。因此，这是一个重要的发展方向，也是当前和将来机器人研究的核心内容。
5）和谐的人-机：人机交互和安全协调
机器人的基本准则是服务且隶属于人类，并且在人和机器之间要保持和谐。在听觉，视觉，手势，思维和其他的多模式感知方面，自然而友好的交互，是机器人研究的基本任务。在未来，实现人机交互和安全协调是为了人机的和谐。
四、四足机器人的技术难点
A.基于仿生学的机器人的机械设计
四足机器人设计的首要难点是是仿生机制的建设。生物数据已经被用于帮助选择机器人的基本物理参数，如体长，腿的刚度，臀高。机器人的物理参数对机器人关键性能，如执行机构的驱动力和负载能力的影响，并没有得到充分研究[26]。
在仿生学和四足动物仿生技术研究的基础上，仿生机构的机制，不同步态生成方法，在一些紧急情况下身体恢复平衡的方法，迫切需要得到研究。如果解决
了这一难题，研究人员就可以设计巧妙，刚度大，重量轻和灵活运动性能，符合现代仿生技术的四足机器人的驱动机构和本体结构。因此，技术难点在于优化运动机制，并进一步完成结构设计，使其具有重量轻，抗冲击，能越障和较稳定的特点。
B.设计和制造具有高带宽，体积小，高精度的液压驱动装置
1）设计制造具有高压力，高带宽，高精度，大流量，轻质量等特点，由集成液压缸，伺服阀，力/位置传感器和数字控制器组成的液压装置是技术难点。
2）具有高速度高精度特点的力与位置混合控制技术是另一个技术难点。液压伺服单元是一个具有较强的非线性和强烈的不确定性特点的系统。时变参数和负载力，速度和位置的变化对驱动系统的液压有很大影响。因此，需要特殊的混合控制算法来解决这个问题。
C.环境感知和自主导航
实现环境感知和机器人自主导航的关键难点归纳如下：异构源和多尺度数据登记，校准和整合的问题，对象、环境、时间的语义表达，基于智能生物认知机制的人工认知系统的设计，长时间，高精度的自对准组合导航算法，复杂地形通行路径的规划等。
D.四足机器人动态步伐瞬态生成技术
在非结构化的情况下，四足仿生机器人应采取各种自适应步态。步态过渡的瞬态要求对高机动性是必要的。运动稳定要求姿势改变和运动时步态改变的稳定性。同时，由于惯性力，冲击力，脚和地面的冲击，外部力量的干扰，滑动摩擦和其他步态因素的影响，步态生成方法和御用控制难以达到上述的要求。
E.四足机器人在快速移动，地面干扰和外力影响等条件下的步态规划和动态控制策略
四足机器人是一种串行平行和高度支链化的系统。机器人的参数有大量的时变特性。一些复杂的因素，如时变参数，动态步态的稳定性能，地形变化的不确定性，外力的影响，给姿态控制的稳定性研究带来了很多难题。
F.基于环境感知在复杂地形下的实时移动和快速感知技术
四足仿生机器人发展的主要目标之一是实现稳定和快速运动。基于环境感知模型重建和机器人姿态控制的稳定，目标识别，运动规划，步态规划和动态约束下的运动控制和其他技术问题，应得到解决和跟踪。姿态实时调整，步态，路径和能耗问题也应该被考虑。最终目标是实现稳定性，移动性和能耗问题的最优化，以及在复杂环境中既定任务的高完成度。
G.具有高动态性，高机动性，高载荷能力的四足机器人的系统集成方法
高性能的四足仿生机器人是一种高层次的综合平台，包括一个新的仿生机制，微型和小功率，高频率和大功率的驱动，高速的动态环境，姿势感知和高速实时
控制。四足步行机器人集成平台需要数字液压伺服，发动机，传感器和电气控制系统复杂的集成技术。
五、山东大学机器人研究中心的四足机器人的研发
在液压驱动的四足机器人的开发中，设计驱动器和制定动态步态是非常重要的。
在2010年，SURO（山东大学机器人研究中心）和南京工程飞行系统研究所研制出了为四足机器人设计的集成式液压驱动装置，如图2和图3。具有高精度，高带宽，小体积特点的特殊器件被用来制作伺服阀，位移传感器和压力传感器。缸体和伺服阀板集成在一起以降低液压驱动装置系统的重量。
图2液压驱动装置系统实物图
1. 活塞杆
2.缸体
3.位移传感器 4, 6.压力传感器 5, 7伺服阀
图3 集成液压驱动装置的CAD模型
通过ANSYS来模拟液压驱动装置系统的强度校核和模态分析。控制性能和控制参数的优化通过半实物仿真系统—Dspace来评估。液压驱动装置系统的性能
如下：重量不足2kg，伺服驱动器的最大工作行程是60mm，最大的动力是700kgf，最高工作速度是0.48m/s，伺服驱动器的频率远远大于100Hz。设计的液压驱动装置系统的性能足够满足四足机器人的动态步态和承载相当的载荷。
在上面讲到的液压驱动装置的基础上，SUCRO研制出了被称为“Hanma”（SUCROHanma）的四座机器人实验平台。
我们开发的液压驱动的四足机器人如图4。四足机器人的主体机械结构由具有良好强度质量比的铝合金制作。初始姿态，其高度为0.67m。1m长，0.4m宽。其重量为50公斤，不包括液压动力源。四足机器人安装的线性液压驱动装置可实现高负重和在不平坦地形上的快速移动。一条腿模块包括髋关节，肩关节和一个膝关节，所以液压四足每条腿有三个自由度，总共12个自由度。
图4四足机器人实物模型
我们已经在室内环境下在该平台上做了实验，可实现至少1m/s的小跑。图5是四足机器人在负重80Kg的情况下以0.4m/s的速度移动。验结果表明，开发的机器人平台的关节具有足够的驱动功率和刚度。
图5机器人负重80Kg（0.4m/s）
六、总结及未来工作
四足仿生机器人展示了在不同地形，以不同速度和步态移动的优越性。由于波士顿动力工程公司的Bigdog和cheetah机器人的优秀表现，机器人领域已经掀起了液压四足步行机器人的研究热潮。
动态稳定性的实现和机载液压驱动系统是四足仿生机器人的发展方向和技术难点。在过去的五十年，四足仿生机器人已实现更快速，更高效，更可靠，并有相当的有效载荷能力。随着机器人技术的发展，具有现场环境自适应能力，可实现高动态性，高速度和更大的负载能力的智能四足仿生机器人将会被研制出来。
与国外先进技术相比，中国的机器人技术相对落后，需要尽快进行相关研究。我们应该在一些基础的关键技术方面取得突破，促进机器人技术的快速发展，以满足在国防建设等领域的需要。
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四足步行机器人研究现状及展望 (郑州轻工业学院机电工程学院河南郑州) 摘要：文章对国内外四足步行机器人研究现状进行了综述，归纳分析了四足机器人质心距离测量系统研究的关键技术，并展望了四足机器人的发展趋势。 关键词：四足步行机器人；研究现状；关键技术；发展趋势 引言：目前，常见的步行机器人以两足式、四足式、六足式应用较多。其中，四足步行机器人机构简单且灵活，承载能力强、稳定性好，在抢险救灾、探险、娱乐及军事等许多方面有很好的应用前景，其研制工作一直受到国内外的重视。1国内外研究四足步行机器人的历史和现状 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由 Frank 和 McGhee 于 1977 年制作的。该机器人具有较好的步态运动稳定性，但其缺点是，该机器人的关节是由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，只能呈现固定的运动形式[1]。 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教授研制成功脚部装有传感和信号处理系统的TITAN-III[2]。它的脚底部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静态步行。 TITAN-Ⅵ[3]机器人采用新型的直动型腿机构，避免了上楼梯过程中各腿间的干涉，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。
毕业设计说明书 作者：学号： 系：机械工程学院 专业：机械设计制造及其自动化 题目：四足仿生移动机器人结构设计 指导者：副教授 评阅者：
目次 1 概述 ................................................ 错误！未定义书签。 1.1 绪论........................................... 错误！未定义书签。 1.2 国内外研究现状及关键技术....................... 错误！未定义书签。 1.3 本课题主要研究内容............................. 错误！未定义书签。 2 四足仿生移动机器人的结构设计原则及要求 ............... 错误！未定义书签。 2.1 四足仿生移动机器人的总体方案确定............... 错误！未定义书签。 2.2 机器人机械结构及传动设计....................... 错误！未定义书签。 3 电机的确定 .......................................... 错误！未定义书签。 3.1 各关节最大负载转矩计算......................... 错误！未定义书签。 3.2 机器人驱动方案的对比分析及选择................. 错误！未定义书签。 3.3 驱动电机的选择................................. 错误！未定义书签。 4. 带传动设计 .......................................... 错误！未定义书签。 4.1 各参数设计及计算............................... 错误！未定义书签。 4.2 带型选择及带轮设计............................. 错误！未定义书签。5工作装置的强度校核.................................... 错误！未定义书签。 5.1 轴的强度校核................................... 错误！未定义书签。 5.2 轴承的选型..................................... 错误！未定义书签。结论 ................................................. 错误！未定义书签。参考文献 ............................................ 错误！未定义书签。致谢 ................................................. 错误！未定义书签。
仿生四足机器人的研究：回顾与展望 摘要：本文侧重于仿生四足机器人。在这一领域的主要挑战是如何设计高动力性和高负载能力的仿生四足机器人。本文首先介绍了仿生四足机器人，尤其是具有里程碑意义的四足机器人的历史。然后回顾了仿生四足机器人驱动模式的现代技术。随后，描述了四足机器人的发展趋势。基于仿生四足机器人的技术现状，简要回顾了四足机器人的技术难点。又介绍了山东大学研制的液压四足机器人。最后是总结和展望未来的四足机器人。 一、导言 代替人类在复杂和危险的环境中工作的移动机器人的需求引起越来越多的关注，如煤矿井下，核电站，以及打击恐怖主义的战争。一般移动机器人可分为三种类型：空中机器人，水下机器人和地面机器人。地面机器人的开发主要是运用轨道或轮子。轮式和履带式机器人可以在平整地面工作，但大多数是无法在凹凸不平的地面上工作。换句话说，现有的地面机器人只能在部分地面工作。与轮式和履带式机器人相比，腿式机器人有可能适应更为广泛的地形，就像如同有腿的动物，几乎可以行走在所有的地形。例如，羚羊具有很强的运动能力，即便在高度复杂的环境中也一样。因此，近些年人们积极地投入腿式机器人的研究中。腿式机器人可以去动物能够到达的地方，应该要构建并运用于实际。尽管机器人技术领域取得了巨大成就，腿式机器人仍然远远落后于它们的仿生学 [1，2]。 基于机械结构，腿式机器人可分为步行机器人和爬行机器人。与爬行动物的机器人相比，步行机器人几乎与躯干垂直的腿被认为更适应载重。步行机器人可以有效地承受更大的载重。具有联合执行机构的步行机器人具有良好的行走速度和运输能力。因此，基于哺乳类动物的仿生机器人的研究已成为机器人领域的重要发展方向。 现已有一、二、三、四甚至更多条腿的腿式机器人。最普遍的是具有高效率步态和稳定性能的偶数条腿的腿式机器人[3]。在腿式机器人中，四足机器人具
河工大 毕业设计说明书 作者：学号： 系：机械工程学院 专业：机械设计制造及其自动化 题目：四足仿生移动机器人结构设计 指导者：张副教授 评阅者： 2013年 5月 29日
目次 1 概述 ................................................ 错误！未定义书签。 1.1 绪论........................................... 错误！未定义书签。 1.2 国内外研究现状及关键技术....................... 错误！未定义书签。 1.3 本课题主要研究内容............................. 错误！未定义书签。 2 四足仿生移动机器人的结构设计原则及要求 ............... 错误！未定义书签。 2.1 四足仿生移动机器人的总体方案确定............... 错误！未定义书签。 2.2 机器人机械结构及传动设计....................... 错误！未定义书签。 3 电机的确定 .......................................... 错误！未定义书签。 3.1 各关节最大负载转矩计算......................... 错误！未定义书签。 3.2 机器人驱动方案的对比分析及选择................. 错误！未定义书签。 3.3 驱动电机的选择................................. 错误！未定义书签。 4. 带传动设计 .......................................... 错误！未定义书签。 4.1 各参数设计及计算............................... 错误！未定义书签。 4.2 带型选择及带轮设计............................. 错误！未定义书签。5工作装置的强度校核.................................... 错误！未定义书签。 5.1 轴的强度校核................................... 错误！未定义书签。 5.2 轴承的选型..................................... 错误！未定义书签。结论 ................................................. 错误！未定义书签。参考文献 ............................................ 错误！未定义书签。致谢 ................................................. 错误！未定义书签。
仿生四足机器人的研究：回顾与展望 Yibin Li, Bin Li, Jiuhong Ruan and Xuewen Rong, Member, IEEE 摘要：本文侧重于仿生四足机器人。在这一领域的主要挑战是如何设计高动力性和高负载能力的仿生四足机器人。本文首先介绍了仿生四足机器人，尤其是具有里程碑意义的四足机器人的历史。然后回顾了仿生四足机器人驱动模式的现代技术。随后，描述了四足机器人的发展趋势。基于仿生四足机器人的技术现状，简要回顾了四足机器人的技术难点。又介绍了山东大学研制的液压四足机器人。最后是总结和展望未来的四足机器人。 一、导言 代替人类在复杂和危险的环境中工作的移动机器人的需求引起越来越多的关注，如煤矿井下，核电站，以及打击恐怖主义的战争。一般移动机器人可分为三种类型：空中机器人，水下机器人和地面机器人。地面机器人的开发主要是运用轨道或轮子。轮式和履带式机器人可以在平整地面工作，但大多数是无法在凹凸不平的地面上工作。换句话说，现有的地面机器人只能在部分地面工作。与轮式和履带式机器人相比，腿式机器人有可能适应更为广泛的地形，就像如同有腿的动物，几乎可以行走在所有的地形。例如，羚羊具有很强的运动能力，即便在高度复杂的环境中也一样。因此，近些年人们积极地投入腿式机器人的研究中。腿式机器人可以去动物能够到达的地方，应该要构建并运用于实际。尽管机器人技术领域取得了巨大成就，腿式机器人仍然远远落后于它们的仿生学 [1，2]。 基于机械结构，腿式机器人可分为步行机器人和爬行机器人。与爬行动物的机器人相比，步行机器人几乎与躯干垂直的腿被认为更适应载重。步行机器人可以有效地承受更大的载重。具有联合执行机构的步行机器人具有良好的行走速度和运输能力。因此，基于哺乳类动物的仿生机器人的研究已成为机器人领域的重要发展方向。 现已有一、二、三、四甚至更多条腿的腿式机器人。最普遍的是具有高效率步态和稳定性能的偶数条腿的腿式机器人 [3]。在腿式机器人中，四足机器人具有良好的机动性和运动稳定性，而典型的双足机器人，缺乏运动的稳定性。从系统和控制器的设计上来看，四足机器人也是一个不错的选择。另一方面，四足机器人在构建和维护上又比六足要简单。四足机器人比轮式或履带式机器人更加灵活，并比双足机器人稳定。因此，许多研究人员和组织在生物动态步态的启发下致力于四足机器人的研究，以使机器人具有高平衡能力和高负载能力。在一般情况下，为了提高运动稳定性，增加步行速度和运输能力，就需要具有大带宽和高输出功率的液压执行机构。机器人控制系统，即用来控制四足机器人动作，步态生成和转换，应在在未来得到研究和解决。 本文组织如下：在第二部分回顾了四足仿生机器人的历史和驱动模式的发展趋势。第三部分介绍了四足机器人的发展趋势。然后，在第四部分分析了四足机器人的技术难点。第五部分介绍了中国山东大学正在开发的液压四足机器人。最后一部分是总结和展望未来的四足机器人。 二、四足仿生机器人的历史 本节回顾具有联合执行机构的四足仿生机器人的历史。我们首先关注基于仿生学的四足机器人的发展现状。然后回顾了四足机器人的驱动模式的发展趋势，
仿生机器人关键技术 “仿生机器人”就是指模仿生物、从事生物特点工作的机器人。,涉及到机械设计、计算机、传感器、自动控制、人机交互、仿生学等多个学科。因此,机器人领域中需要研究的问题非常多。主要研究问题包括以下五个方面: 1 建模问题 仿生机器人的运动具有高度的灵活性与适应性。其一般都就是冗余度或超冗余度机器人,结构复杂,运动学与动力学模型与常规机器人有很大差别,且复杂程度更大。为此,研究建模问题,实现机构的可控化就是研究仿生机器人的关键问题之一。 2 控制优化问题 机器人的自由度越多,机构越复杂,必将导致控制系统的复杂化。复杂巨系统的实现不能全靠子系统的堆积,要做到整体大于组分之与,同时要研究高效优化的控制算法才能使系统 具有实时处理能力。 3 信息融合问题 在仿生机器人的设计开发中,为实现对不同物体与未知环境的感知,都装备有一定量的 传感器。多传感器的信息融合技术就是实现其具有一定智能的关键。信息融合技术把分布在不同位置的多个同类或不同类的传感器所提供的局部环境的不完整信息加以综合,消除多传感器信息之间可能存在的冗余与矛盾,从而提高系统决策、规划、反应的快速性与正确性。 4 机构设计问题 合理的机构设计就是仿生机器人实现的基础。生物的形态经过千百万年的进化,其结构特征极具合理性,而要用机械来完全仿制生物体几乎就是不可能的,只有在充分研究生物肌 体结构与运动特性的基础上提取其精髓进行简化,才能开发全方位关节机构与简单关节组成高灵活性的机器人机构。 5 微传感与微驱动问题 微型仿生机器人有些已不就是传统常规机器人的按比例缩小,它的开发涉及到电磁、机械、热、光、化学、生物等多学科。对于微型仿生机器人的制造,需要解决一些工程上的问题,如动力源、驱动方式、传感集成控制以及同外界的通讯等。实现微传感与微驱动的一个关键技术就是机电光一体结合的微加工技术。同时,在设计时必须考虑到尺寸效应、新材料、新、工艺等问题。 为了解决以上问题仿真机器人需要采取以下技术: