四足机器人行走运动平台结构设计【开题报告】v6.0

附件 B：

毕业设计（论文）开题报告

1、课题的目的及意义

1.1课题研究背景目前，机器人的移动主要是轮式、履带式、步行、爬行、蠕动等。然而，地球上大多数的地面都是崎岖的，不能为传统的轮式或履带式到达，而自然界的很多动物却可以在这些地面行走自如、跨越障碍。它们经历了自然界数百万年间的选择，已经进化出适应各种环境的生理特征，给了研究人员很大的启发。步行是大多哺乳动物的移动方式，对环境有很强的适应性，可以灵活的进入相对狭小的空间，可以自由跨越障碍、上下台阶等等。以此，研究步行机器人有着较强的实际意义。现在的步行机器人的足数分别为单足、二足、四足、六足等等。足的数目多时，机器人比较适合重载和慢速运动；二足或者四足机构的机构相对简单，更加灵活。与二足相比，四足机器人的承载能力强、稳定性能更好，在抢险救灾、探险、娱乐及军事等多个领域有很好的应用前景，其研究工作也备受重视[1]。

2005 年，Boston Dynamics 公司首次公开了其历经十余载研究而成的仿生四足机器人Big Dog[2]，在互联网上引起了全球公众的热议。Big Dog 灵活的机动性、强大的抗干扰能力以及优异的环境适应能力成为当今各国四足机器人研究的典型代表。尽管如此，从生物进化的角度来说，四足动物的体型结构和运动方式产生了以载重-适应性和高速-灵活性两大功能异化的分支[3]。Big Dog 则是环境适应能力和运动稳定性方面世界最高水平，然而，对高速运动方面的四足机器人却鲜见研究。高速运动的哺乳动物（尤其是猎豹）以独特的骨骼结构、步态特征、高效的能量转化效率成了仿生四足机器人高速灵活性研究的新方向。在DARPA 的M3 计划支持下4，Boston Dynamics 公司和MIT 仿生机器人实验室均进行了仿猎豹式机器人的研究，并推出了两款样机。尤其Boston Dynamics 公司的机器人还一举打破了足式机器人奔跑的纪录，达46km/h，使仿猎豹机器人成为新的研究热点。

1.2四足机器人研究现状

1.2.1国外研究现状

早在1899 年，Muybridge 最早借助影像设备，进行了有关家猫、狗、骆驼和马等动物的高速运动研究。然而之后的一个世纪人们对四足机器人的研究都仅仅停留在静稳定步态行走的水平上。从早期的GE 四足电控步行车[5]（图1.1）到具有脊柱环节的BISAM 机器人[6]（图1.2），这些机器人在任

何时刻都可在支撑

腿的支撑作用下保持静态平衡，而摆动腿则移动至新的落足点进行支撑腿与摆动腿的转换，并继续保持稳定平衡状态

图 1.1 GE 四足电控步行车图 2.2 BISAM 四足机器人上世纪80 年代，Raibert 等人首次将SLIP 模型［7,8］应用于足式机器人研究，开发出了一系列具有直线伸缩式的腿部结构的单足、双足、四足机器人，也第一次实现了机器人的动态步行运动［9,10］。如图1.3所示，Raibert 率先研制出以1m/s 速度前进的动步行单足液动机器人［11］。该机器人由一条可直线运动的腿和髋关节组

成，基于同样的控制原理，Railbert 和他的团队研制了径向无约束的三维跳

跃奔跑机器人［12］。

图 1.3 Raibert 研制的2D 和3D 跳跃机器人在单腿跳跃机器人运动控制的推动下，Railbert 进行了双足和四足机器人动步行的研究。1986年MIT-Leg ［13］和MIT 四足机器人［14］问世（如图1.4）。Railbert扩展了原有单腿弹跳机器人步态控制策略，利用虚拟腿的方法将其应用于四足机器人系统中，并实现了四足运动的三种步态即trot、pace（同侧腿）和bound 步态［15］。

图 1.4 四足动步行机器人

2000年，加拿大McGill 大学的Martin Buehler 等人设计了腿部带有线性弹簧的四足机器人Scout II[16,17]，如图1.5。该机器人以实现高速稳定运动为目标，将系统结构形式简化为每条腿由一个主动驱动关节和一个由直线弹簧连接的被动驱动关节组成。围绕Scout II 系列机器人，Poulakakis 等人进行了大量的有关平面被动奔跑模型的研究，探讨了模型的被动稳定性和弹跳高度、前进速度、俯仰角度等机体姿态与腿部着地角度的关系，建立了以腿部着地角度和髋关节力矩为控制参量的奔跑控制方法[18-20]。

图 1.5 Scout II 机器人

在众多四足机器人样机中，美国Boston Dynamics公司2005年推出的Big Dog

四足机器人以其优异的环境适性、卓越的抗干扰特性和强劲的负载能力代表了当

今仿生机器人研究的最高水平，令同时期的四足机器人难以匹敌，如图1.6。2010

年DARPA 启动LS3( Legged Squad Support System)计划，进一步开展极端环境

下四足机器人稳定行走研究

图 1.6 Big Dog 四足机器人

为了获得更高的运动速度，研究人员进行了一系列大胆而又创新的仿生结

构与控制方法研究。2011 年，美国HRL 实验室开展了面向高速运动所需的仿猎豹后腿研究，利用气动与电动混合驱动的形式，引入双作用肌肉、肌腱等多种新的设计思路，研制了一款仿猎豹后腿样机，如图1.7，并进行了摆腿与蹬踏实验

图 1.7 HRL 实验室的仿猎豹后腿

在四足机器人高速运动研究方面，Boston Dynamics 公司和MIT 仿生机器人实验室是典型代表。由Boston Dynamics公司研制的猎豹型四足机器人以46km/h 的奔跑速度创下了足式机器人的奔跑记录。如图1.8[21]，该机器人根据猎豹的生理与运动特性设计了脊柱关节并简化了腿部结构，在奔跑中该机器人可以像动物一样通过弯曲脊柱来增加步幅和速度。与Boston Dynamics公司原理上的仿生设计不同，MIT 仿生机器人实验室则更多地关注于形态学仿生设计。相似的骨骼肌肉结构，甚至还设计了头部和尾部来实现在高速运动下的转向，如图 1.9 所示[22]。

图 1.8 Boston Dynamics 的猎豹机器人图 1.9 MIT 的猎豹机器人

1.2.2国内研究现状我国四足机器人研究相对国外起步较晚，随着科学技术的发展，国家对机器人技术的资金及人力投入，经过几十年地不懈努力取得了大量的研究成果。到目前为止，中科院沈阳自动化研究所、清华大学、华中科技大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学等高校及研究所对四足机器人进行了研究。在研究者的不断专研下，成功研制出一系列四足机器人样机。

2004 年，清华大学成功研制出模仿哺乳动物运动控制的四足机

器人

Biosbot[23]。该机器人重5.7Kg，总体尺寸为400mm×320mm×300mm，如图1.10 所示，采用伺服电机驱动，每条腿具有3 个自由度，在足端安装有位置传感器。Biosbot 机器人采用中枢模式发生器（CPG）控制系统，实现了机器人Walking （慢走）、Trot（对角小跑）两种步态之间的转换，对复杂的