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。
浙江大学“海特杯”第十届大学生机械设计竞赛“四足机器人”设计方案书
“四足机器人”设计理论方案 自从人类发明机器人以来，各种各样的机器人日渐走入我们的生活。仿照生物的各种功能而发明的各种机器人越来越多。作为移动机器平台，步行机器人与轮式机器人相比较最大的优点就是步行机器人对行走路面的要求很低，它可以跨越障碍物，走过沙地、沼泽等特殊路面，用于工程探险勘测或军事侦察等人类无法完成的或危险的工作；也可开发成娱乐机器人玩具或家用服务机器人。四足机器人在整个步行机器中占有很大大比重，因此对仿生四足步行机器人的研究具有很重要的意义。 所以，我们在选择设计题目时，我们选择了“四足机器人”，作为我们这次比赛的参赛作品。 一.装置的原理方案构思和拟定： 随着社会的发展，现代的机器人趋于自动化、高效化、和人性化发展，具有高性能的机器人已经被人们运用在多种领域里。特别是它可以替代人类完成在一些危险领域里完成工作。 科技来源于生活，生活可以为科技注入强大的生命力，基于此，我们在构思机器人的时候想到了动物，在仔细观察了猫.狗等之后我们找到了制作我们机器人的灵感，为什么我们不可以学习小动物的走路呢，于是我们有了我们机器人行走原理的灵感。 为了使我们所设计的机器人在运动过程中体现出特种机器人的性能及其运动机构的全面性，我们在构思机器人的同时也为它设计了一些任务： 1. 自动寻找地上的目标物。 2. 用机械手拾起地上的目标物。 3．把目标物放入回收箱中。 4. 能爬斜坡。 图一 如图一中虚线所示的机器人的行走路线，机器人爬过斜坡后就开始搜寻目
标物体，当它发现目标出现在它的感应范围时，它将自动走向目标，同时由于相关的感应器帮助，它将自动走进障碍物中取出物体。 二.原理方案的实现和传动方案的设计： 机器人初步整体构思如上的图二和图三，四只腿分别各有一个电机控制它的转动，用一个电机驱动两条腿的抬伸。根据每只腿的迈步先后实现机器人的前进，后退，左转和右转，在机器人腿迈出的同时，它也会相应地进行抬伸，具体实现情况会在下文详细说明。 图二 图三 机器人初步整体构思如上的图二和图三，四只腿分别各有一个电机控制它的转动，用一个电机驱动两条腿的抬伸。根据每只腿的迈步先后实现机器人的前进，后退，左转和右转，在机器人腿迈出的同时，它也会相应地进行抬伸，具体实现情况会在下文详细说明。 任务的实现主要是利用单片机来控制机器人的四条腿以及几个传感器的共同工作，并通过它们的协调工作来完成的。如图一中所示，让机器人爬过了斜坡之后，就先进行扫描，如果发现有目标出现在它的视野之内，它就会寻着目标前进。如果没有发现目标，机器人会原地转弯并搜寻在它视野之外的目标。由于目标物有可能正好被障碍物遮住，此时我们会设计相应的程序告诉机器人现在先向右行走一定的距离再进行扫描。又由于尽管已经扫描到了目标物，当机器人走向
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
探究液压驱动四足机器人机械结构设计 液压驱动四足机器人属于一种人类仿生机械设备，并且机器人的关节相对较多，其结构相对较为复杂，主要是采用仿生的方式，展开液压驱动四足机器人的总体设计。同时，液压驱动四足机器人的出现，为很多相关工作的展开，提供了相对便利的条件。因此，本文对液压驱动四足机器人结构设计的相关内容，展开了分析和阐述。 标签：液压驱动;四足机器人;机械结构; 先进技术的不断发展，机器人在很多行业领域中，得到了广泛的应用，然而液压驱动四足机器人主要危险性不确定的情况，有着良好的适应能力，并且可以很好的完成各项任务，。但是，要想保证液压驱动四足机器人使用的稳定性，需要对其机械机构进行一定的明确，并且对自身的运行状态进行协调和控制，实现液压驱动四足机器人在工作中的稳定性。可靠性以及实时性、开放性等有点，这样对其相关行业的发展，也是非常有利的。 1、液压驱动四足机器人分析 一般情況下在静止的状态下，液压驱动四足机器人具有冗余自由度，并且前面的两条腿，与后面的两条腿呈现的对称弯曲的状态，图1为液压驱动四足机器人机械结构简图。其实，液压驱动四足机器人主要是由躯体和4条腿组成，并且每条腿有3个关节，其中与躯体连接的髋关节拥有两个自由度，其自由度程度相互垂直的状态，并且膝关节和踝关节各拥有一个自由度【1】外，液压驱动四足机器人中的驱动关节呈现一个平面四连杆机构，将液压缸为驱动的原动力，并且用过利用液压缸活塞杆的伸缩，可以在一定程度上改变环节活动的角度，以此保证液压驱动四足机器人的灵活性，为相关生产工作综合效益的提升，给予了一定的支持和保障。 2、机械结构设计 液压驱动四足机器人机械结构设计主要是从总体结构、结构参数、人机体设计等方面展开，下面就针对这点内容展开了分析和阐述。 2.1总体结构设计 总体结构设计所包括的内容有很多，例如：腿模块自由度选择、腿结构形式、安装等方面，具体的内容如下。 2.1.1腿模块自由度选择。腿机构可以控制的自由度越多，其灵活性就会相对较好，但是每一个可以控制的自由度需要设置一套驱动系统和一套传动机构，这样每一个自由度的重量就会有所增加【2】。因此，在该方面设计的时候，在满足自由活动的条件下，自由度越少越好，避免给液压驱动四足机器人的活动造成
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，
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910165870.7 (22)申请日 2019.03.06 (71)申请人 哈尔滨理工大学 地址 150080 黑龙江省哈尔滨市南岗区学 府路52号哈尔滨理工大学 (72)发明人 邵俊鹏 迟涵威 孙桂涛 (51)Int.Cl. B62D 57/032(2006.01) (54)发明名称 一种足端自适应液压四足机器人 (57)摘要 本发明公开了一种足端自适应的液压四足 机器人，包括机身和四条机械腿，机身用镂空结 构的端板和连杆组成，可以有效的减轻机器人的 自重，四条腿结构相同且均匀对称的分布在机身 的四周，每条腿有三个主动的自由度，由伺服作 动器控制液压缸实现机器人的运动，足端由螺 栓、弹簧和半球形实体橡胶组成，足端上的预紧 螺栓可以调节弹簧的刚度，避免足端与地面接触 力过大影响机器人运动的稳定性的情况。权利要求书1页 说明书2页 附图3页CN 109760762 A 2019.05.17 C N 109760762 A
权 利 要 求 书1/1页CN 109760762 A 1.一种足端自适应液压四足机器人，其特征在于：采用镂空结构的端板和连杆组成的机身，四条机械结构相同的腿均匀对称的分布在机身的四周。 2.根据权利要求1所述的一种足端自适应液压四足机器人，其特征在于：机身外部设有动力源、液压系统、散热系统和控制系统。 3.根据权利要求1所述的一种足端自适应液压四足机器人，其特征在于：腿部由连杆、大腿、小腿、足端和驱动器组成，由伺服阀和液压缸构成的驱动器，控制连杆绕关节转动，完成机器人的行走、跳跃、奔跑等运动。 4.根据权利要求1所述的一种足端自适应液压四足机器人，其特征在于：每条腿由三个液压缸驱动，第一个液压缸在机身和横摆连杆处，第二个在横摆连杆与大腿连接处，第三个在大腿与小腿连接处。 5.根据权利要求1所述的一种足端自适应液压四足机器人，其特征在于：足端由螺栓、弹簧和半球形实体橡胶组成，足端上的预紧螺栓可以调节弹簧的刚度，足底采用实体橡胶可以增大与地面间的摩擦力，也可吸收部分冲击力。 2
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: