四足仿生机器人详解PPT演示课件
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四腿机器人定位的理论与实现 课件
二、定位模块实现与发展
Monte Carlo 定位 Markov 定位中的分布因为是连续的，
所以在实际中无法在计算机上直接使用， 这需要将其离散化。而Monte Carlo 定 位实际上是Markov 定位的一种离散化。
二、定位模块实现与发展
Monte Carlo 定位 Monte Carlo 定位使用一个样本集来表示定位点的可能
一、定位模块功能及基本环境
四腿机器人系统分为五个功能模块：视觉模 块，动作模块，定位模块，通讯模块和行为 决策模块。
定位模块功能：一方面从视觉模块获得图像 分析结果，另一方面从动作模块获得当前的 身体偏移走向，综合两方面的内容，试图计 算出机器人身体在场地上面的位置，告知行 为决策模块。
模块间的层次定位和相互之间的信息传递如 下页图所示。
在计算了所有的点后，即可得到新的分布。
二、定位模块实现与发展
Markov 定位 根据传感器数值修正： 这种修正使用了Bayes 法则。用s 表示一个传 感器获取的数值，P { s | L }表示在定位点L 下获取s 的可能性。这样我们有
其中α为一个归一常量。这种修正有一个前提条件， 即过去的传感器信息读取与未来的传感器信息读 取是独立的，这种条件下的环境称为Markovian Environment。
二、定位模块实现与发展
样本集维护—— 行动更新
作的定义：三个偏 移量：dx，dy，d。二、定位模块实现与发展
样本集维护——行动更新 第一步就要把动作偏移量从机器人自身的坐标系
变换到场地坐标系中，这样就可以知道执行的动 作使得机器人在场地上到底走了多大的偏移量。 设δx ，δy ，δθ 分别为动作的三个偏移量，θ 为 原定位结果的身体朝向角度， Δx和Δy为场地坐 标系中的x，y 偏移量，有以下公式：
四足机器人
四足步行机器人机械本体结构
弹性驱动式实施方案:步行腿中的并联驱动机构和串联驱动机构均采 用伺服电机弹性驱动器驱动,整个动力全部来自电机。
5
4.四足机器人2
四足机器人单腿结构图
机架组件 5、大腿组件 3 和弹性小腿组件 1。 机架组件与大腿组件之间通过髋关节 4 相连， 大腿组件与弹性小腿之间通过膝关节 2 相连。
单足装配模型示意图
3
2.液压驱动足式机器人腿部
足式机器人腿部的机构简图 足式机器人的运动实质上是由EF,IG,JH之间的滑块机构和AE之 间的转动副,驱动AB杆绕A点转动,BC杆绕B点转动,CD绕C点转 动,AE绕Z轴转动,从而使D点相对地面运动,达到行走目的。
4
3.四足机器人1
步行腿结构示意图
14
1.平面并联五杆机构
15
11
9.四足轮腿式结构机器人
四足轮腿式
12
1.“4+2”多足步行机器人
整体图
腿结构主视图
其腿部件由髖关节、大腿关节、小腿关节和踝关节四部分组成，大、 小腿关节之间由线轮传动。
13
10.“4+2”多足步行机器人
1.髖关节：是由上下层布置的两个大且薄的齿轮和连接该两个大齿轮的薄 壁方框组成，其转动则能够带动大腿和小腿整体转动。 2.大腿关节：大腿关节轴由髖关节墙板支撑，采用齿轮传动，传动路线布 置在髖关节框架的上层，大腿围绕第一关节轴转动。 3.小腿关节：小腿关节在大腿关节的最远端。按腿臂融合的功能要求，小 腿关节不但要保证能带动小腿杆转过大腿杆，而且必须实现独立驱动功能。 4.踝关节：要满足多足步行机器人在三维空间的六个运动自由度，就要求 踝关节必须有三个自由度，基于这一要求踝关节采用球铰链形式实现腿脚 的联接。
200920301401仿生机器人资料PPT教学课件
2002年12月研制成功的机器蜘蛛Spiderpot。
该机器蜘蛛上装有一对可以用来探测 障碍的天线，且拥有异常灵活的腿。它们 能跨越障碍，攀登岩石，探访靠轮子滚动 前进的机器人无法抵达的区域。机器蜘蛛 一类微型仿生机器人非常适合勘探彗星、 小行星等小型天体。在国际空间站上它们 可以充当维护员，及时发现空气泄漏等意 外故障。
左下图是国防科技大学2001年研制的 蛇形机器人。这条长1.2m,直径0.06m,重1. 8kg的机器蛇,能扭动身躯,在地上或草丛中 婉蜒爬行,可前进、后退,拐弯和加速,最大 前进速度可达每分钟20m,披上特制的“蛇 皮”后还能像蛇一样在水中游泳。
9
2020/10/16
• 机器蜘蛛 左图为美国宇航局喷气推进实验室于
10
2020/10/16
• 机器蛙 在崎岖多障碍的外星表面，跳跃显然
是一种理想的行动方式，在低重力环境下， 跳跃更是一种高效使用能量的运动方式。 左图为美国宇航局喷气推进实验室研制的 机器蛙形状有点像青蛙，质量不超过1.3千 克。
机器蛙腿的膝部装有弹簧，能像青蛙 那样先弯起腿，再一跃而起。蛙身装有小 马达、传感器、照相机、小型电脑和太阳 能电池极等部件。
11
• 水下仿生机器人
水下机人完成某些操作，又称潜水器。水下环境恶劣危 险，人的潜水深度有限，所以水下机器人已成为开发海洋的重要工具。
•
英国埃塞克斯大学的环境检测机器人 主要用于环境检测和绘制3D污染图
机器鱼
鱼类的高效、快速、机动灵活的水 下推进方式吸引了国内外的科学家们从 事仿生机器鱼的研究。
极简的用料和轻量的结构使得资源和
能源的消耗降到最低。
7
• 陆地仿生机器人
2020/10/16
该机器蜘蛛上装有一对可以用来探测 障碍的天线，且拥有异常灵活的腿。它们 能跨越障碍，攀登岩石，探访靠轮子滚动 前进的机器人无法抵达的区域。机器蜘蛛 一类微型仿生机器人非常适合勘探彗星、 小行星等小型天体。在国际空间站上它们 可以充当维护员，及时发现空气泄漏等意 外故障。
左下图是国防科技大学2001年研制的 蛇形机器人。这条长1.2m,直径0.06m,重1. 8kg的机器蛇,能扭动身躯,在地上或草丛中 婉蜒爬行,可前进、后退,拐弯和加速,最大 前进速度可达每分钟20m,披上特制的“蛇 皮”后还能像蛇一样在水中游泳。
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• 机器蜘蛛 左图为美国宇航局喷气推进实验室于
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• 机器蛙 在崎岖多障碍的外星表面，跳跃显然
是一种理想的行动方式，在低重力环境下， 跳跃更是一种高效使用能量的运动方式。 左图为美国宇航局喷气推进实验室研制的 机器蛙形状有点像青蛙，质量不超过1.3千 克。
机器蛙腿的膝部装有弹簧，能像青蛙 那样先弯起腿，再一跃而起。蛙身装有小 马达、传感器、照相机、小型电脑和太阳 能电池极等部件。
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• 水下仿生机器人
水下机人完成某些操作，又称潜水器。水下环境恶劣危 险，人的潜水深度有限，所以水下机器人已成为开发海洋的重要工具。
•
英国埃塞克斯大学的环境检测机器人 主要用于环境检测和绘制3D污染图
机器鱼
鱼类的高效、快速、机动灵活的水 下推进方式吸引了国内外的科学家们从 事仿生机器鱼的研究。
极简的用料和轻量的结构使得资源和
能源的消耗降到最低。
7
• 陆地仿生机器人
2020/10/16
最新仿生机器人课件幻灯片
基于鲹科模型的 “游龙”系列机械鱼
8.2.2 仿生机器人关键技术问题
1 建模问题
仿生机器人的运动具有高度的灵活性和适应性，其一般都是 冗余度或超冗余度机器人，结构复杂。运动学和动力学模型 与常规机器人有很大差别，且复杂程度更大。
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 “整体大于组分之和”，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。
4 鲹科类模式鱼体波模型建立及分析
根据对鲹科模式鱼类游动的仿生研究及图像分析，得到的鱼体波 特征为一波幅逐渐加大、由头部至尾鳍传播的行波。鱼体波曲线 可通过鱼体波波幅包络线与正弦曲线的合成来进行数学描述：
yb o d y(x,t)(c 1xc2x2)sin (kxt)
式中 ybody (—x,—t) 身体横向位移； c1 —— 尾流宽度，通常以尾鳍摆幅近似表示；
8.3.2仿生机器鱼的设计
机器鱼是一个复杂的机器人系统，包括机械传动和机电控 制两大部分，其中机械系统犹如整个系统的躯体，控制系 统犹如整个系统的大脑和神经中枢。因此，它必须具有运 动灵活、传动精密的机械本体，结构合理、高效运作的控 制系统，以及运算高速、工作可靠的硬件平台。
1 几种典型机械鱼机构分析
一个摆动周期产生反卡门涡街的过程
(a) 尾鳍先以摆动造成一个大涡流； (b) 迅速的顶端摆动造成一个相反方向的涡流； (c) 下摆之后的尾鳍使两个涡流相遇； (d) 相供的两个涡流形成一柱强力的向后喷流，并相互减弱其涡流 强度。
表示尾流反卡门涡街的参数是斯特劳哈尔数St（Strouhal Number )。对于BCF推进方式，斯特劳哈尔数定义为：
8.2.2 仿生机器人关键技术问题
1 建模问题
仿生机器人的运动具有高度的灵活性和适应性，其一般都是 冗余度或超冗余度机器人，结构复杂。运动学和动力学模型 与常规机器人有很大差别，且复杂程度更大。
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 “整体大于组分之和”，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。
4 鲹科类模式鱼体波模型建立及分析
根据对鲹科模式鱼类游动的仿生研究及图像分析，得到的鱼体波 特征为一波幅逐渐加大、由头部至尾鳍传播的行波。鱼体波曲线 可通过鱼体波波幅包络线与正弦曲线的合成来进行数学描述：
yb o d y(x,t)(c 1xc2x2)sin (kxt)
式中 ybody (—x,—t) 身体横向位移； c1 —— 尾流宽度，通常以尾鳍摆幅近似表示；
8.3.2仿生机器鱼的设计
机器鱼是一个复杂的机器人系统，包括机械传动和机电控 制两大部分，其中机械系统犹如整个系统的躯体，控制系 统犹如整个系统的大脑和神经中枢。因此，它必须具有运 动灵活、传动精密的机械本体，结构合理、高效运作的控 制系统，以及运算高速、工作可靠的硬件平台。
1 几种典型机械鱼机构分析
一个摆动周期产生反卡门涡街的过程
(a) 尾鳍先以摆动造成一个大涡流； (b) 迅速的顶端摆动造成一个相反方向的涡流； (c) 下摆之后的尾鳍使两个涡流相遇； (d) 相供的两个涡流形成一柱强力的向后喷流，并相互减弱其涡流 强度。
表示尾流反卡门涡街的参数是斯特劳哈尔数St（Strouhal Number )。对于BCF推进方式，斯特劳哈尔数定义为：
四足机器人PPT
第四章机械系统设计4.2机器人机构4.2.1 仿生机器人机构4.2.2 典型工业机器人机构4.2.3 工业机器人机构应用实例影视机器人现实机器人4.2 机器人机构双足机器人Petman是美军仿人机器人中的佼佼者，它的职能是为美军实验防护服装。
波士顿动力公司承诺说Petman能维持平衡，灵活行动。
行走、匍匐、以及应对有毒物质的一系列动作对它来说都不成问题。
它还能调控自身的体温、湿度和排汗量来模拟人类生理学中的自我保护功能，从而达到最佳的测试效果。
PETMAN机器人典型多连杆式四足机械结构LittleDog机器人LittleDog由南加州大学开发，估计是目前最有思考的机器狗，他的内置处理器能够判断目前地形从而采取更正确的步伐前进。
同时它最强亮点，是具有学习功能，能记住正确和错误的步伐，不会被同样的地形绊倒2次BigDog机器人由美国武器合约商波士顿动力公司研发的一套科技含量非常高的装置——“大狗”(BigDog)运输机器人。
它高约1米，重75kg采用汽油发动机驱动。
有四只强有力的腿，每条腿有三个靠传动装置提供动力的关节，并有一个“弹性”关节。
这些关节由一个机载计算机处理器控制。
它体内装有维持机身平衡的回转仪，内力传感器等，可探测到地势变化根据情况做出调整。
它的最高负载量可达340磅，以每小时4英里的速度行走，而且可在丘陵地形上攀登前行，全靠本身的立体视觉系统或远程遥控器确认路径。
躯体运动形式给每个液压缸加上驱动，通过活塞的往复运动使相配合关节相对转动动画Jansen Walker仿生机械Jansen Walker是由荷兰工艺家泰奥•扬森(Theo Jansen)利用塑胶管、塑胶瓶等普通材料创造的一种新型“生命”。
该机构运用风力作为动力实现行走，并利用塑胶瓶存储风量，在没有风的情况下也可以实现行走。
四足机械步行和轮滑自动切换的轮式四足机器人六足和多足机械六足的蚂蚁八足的蜘蛛多足的蜈蚣RISE 是一个攀爬机器人，它可以攀爬墙面,树木和篱笆。
四足机器人步态及运动控制
限于技术水平，发展缓慢。
发展阶段
随着科技的进步，尤其是计算机技 术和机械设计的发展，四足机器人 在20世纪90年代进入快速发展阶 段。
创新阶段
近年来，随着人工智能和深度学习 技术的突破，四足机器人的智能化 程度越来越高，性能和应用领域也 得到了极大的拓展。
四足机器人的分类及特点
根据驱动方式
四足机器人可以分为液压驱动、气压驱动和电动驱动等类型。液压驱动具有负载能力强、精度高的优点，但易受 环境温度影响。气压驱动具有速度快、响应灵敏的优点，但易受气压波动影响。电动驱动具有节能环保、维护方 便的优点，但需要良好的电源管理系统。
步态选择的原则与影响因素
选择四足机器人的步态应根据具 体的应用场景和需求进行考虑。
原则上，应考虑机器人的运动效 率、稳定性、灵活性和适应性等
方面的需求。
影响因素包括机器人的重量、负 载、能源供应、环境条件等。
03
四足机器人的运动控制方 法基于模型ຫໍສະໝຸດ 控制方法模型预测控制（MPC）
利用机器人的动力学模型进行预测和控制，考虑了机器人运动的各种约束条件 ，如速度、加速度、关节角度等，以达到最优的控制效果。
基于学习的控制方法
深度学习控制
利用深度学习算法，通过对大量数据进行学习，让机器人能够自适应各种复杂的 未知环境。
强化学习控制
通过强化学习算法，让机器人在实际环境中通过自我试错进行学习，从而找到最 优的控制策略。
04
四足机器人的步态及运动 控制实验
四足机器人实验平台介绍
实验平台组成
四足机器人实验平台主要由机械系统、控制系统、感知系 统三部分组成。
混合步态则结合了静态和动态步态的 特点，以实现机器人的特定运动需求 。
发展阶段
随着科技的进步，尤其是计算机技 术和机械设计的发展，四足机器人 在20世纪90年代进入快速发展阶 段。
创新阶段
近年来，随着人工智能和深度学习 技术的突破，四足机器人的智能化 程度越来越高，性能和应用领域也 得到了极大的拓展。
四足机器人的分类及特点
根据驱动方式
四足机器人可以分为液压驱动、气压驱动和电动驱动等类型。液压驱动具有负载能力强、精度高的优点，但易受 环境温度影响。气压驱动具有速度快、响应灵敏的优点，但易受气压波动影响。电动驱动具有节能环保、维护方 便的优点，但需要良好的电源管理系统。
步态选择的原则与影响因素
选择四足机器人的步态应根据具 体的应用场景和需求进行考虑。
原则上，应考虑机器人的运动效 率、稳定性、灵活性和适应性等
方面的需求。
影响因素包括机器人的重量、负 载、能源供应、环境条件等。
03
四足机器人的运动控制方 法基于模型ຫໍສະໝຸດ 控制方法模型预测控制（MPC）
利用机器人的动力学模型进行预测和控制，考虑了机器人运动的各种约束条件 ，如速度、加速度、关节角度等，以达到最优的控制效果。
基于学习的控制方法
深度学习控制
利用深度学习算法，通过对大量数据进行学习，让机器人能够自适应各种复杂的 未知环境。
强化学习控制
通过强化学习算法，让机器人在实际环境中通过自我试错进行学习，从而找到最 优的控制策略。
04
四足机器人的步态及运动 控制实验
四足机器人实验平台介绍
实验平台组成
四足机器人实验平台主要由机械系统、控制系统、感知系 统三部分组成。
混合步态则结合了静态和动态步态的 特点，以实现机器人的特定运动需求 。
四足仿生机器人详解
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1、小结
第一部分介绍了国外近几年步行机器人研究上的几个 成果。这些研究都是在仿生学的基础上，通过模拟动物骨 骼结构以及动物腿部自由度的布置，设计步行机器人。其 中，有不少都值得我们借鉴。比如“HUNTER”，相对于 传统的仿狗机器人，它多了肩关节这样的结构。又如最后 提到的猎豹机器人，它通过一种气动装置来模拟猎豹腿部 的肌肉，进而可获得较高的奔跑速度。
.
12
6、Cheetah
该结构中，前两条腿 比后两条腿要短20%，目 的是避免在迈大步距角的 时候出现腿相碰撞的情况 。腿的末端采用受电弓机 构的形式（其作用是使腿 的最上、最下部分运动一 致，同时减少自由度数目 ，简化设计）。末端出的 弹簧装置在腿落地与离地 时分别起到储能、减小触 地影响，释放能量的作用 。
.
15
陆地上，速度最快的动物要属猎豹了，虽然目前有很多 研究者对狗与马的仿生研究有了很大的进展，但是有关猎豹 的报道并不多。猎豹奔跑速度一般可达30m/s，一秒跨过距 离是腿长的50倍，奔跑频率更是达到了3hz。所以，以猎豹 为仿生对象显得很有意义。
.
16
猎豹奔跑时，足末端运动 轨迹类似一个弧形的旋转运动 。奔跑过程中是前脚先着地， 并且前肢通常能使出2.5倍体重 的力量，后肢能使出1.5倍体重 的力量。力量越大，跳出的步 幅也就越大，奔跑速度也就变 快了。通常，能量储存的位置 为腿下部位置，像在髋关节几 乎就没有能量的存储。
.
10
5、HUNTER
2010年，韩国汉阳大学的Jang Seob Kim and Jong Hyeon Park 研制成功了一种四足步行机器人“HUNTER”。它的每条腿都有 三个主动关节，两个带被动关节。它的结构参照四足动物狗来进 行设计的。被动关节被设计用来减少腿着地时受地面的影响，通 过弹性装置，能量就可以储存与再利用。
四足机器人
2
1.平面并联五杆机构
单足装配模型示意图
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2.液压驱动足式机器人腿部
足式机器人腿部的机构简图 足式机器人的运动实质上是由EF,IG,JH之间的滑块机构和AE之 间的转动副,驱动AB杆绕A点转动,BC杆绕B点转动,CD绕C点转 动,AE绕Z轴转动,从而使D点相对地面运动,达到行走目的。
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3.四足机器人1
步行腿结构示意图
四足步行机器人机械本体结构
弹性驱动式实施方案:步行腿中的并联驱动机构和串联驱动机构均采 用伺服电机弹性驱动器驱动,整个动力全部来自电机。
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4.四足机器人2
四足机器人单腿结构图
机架组件 5、大腿组件 3 和弹性小腿组件 1。 机架组件与大腿组件之间通过髋关节 4 相连， 大腿组件与弹性小腿之间通过膝关节 2 相连。
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5.仿马四足机器人
股关节由绕前后轴方向旋转的股横关节 和绕左右轴方向旋转的股纵关节构成； 膝关节仅设置绕左右轴方向旋转的股纵 关节。出于减少腿部关节数、简化机器 人结构模型的目的，该四足机器人的腿 部不设置足关节，而采用球形足趾。虽 然对其做了简化， 四足机器人的腿部仍 然能够以任意的角度接地。
液压驱动足式机器人腿部4足式机器人腿部的机构简图足式机器人的运动实质上是由efigjh之间的滑块机构和ae之间的转动副驱动ab杆绕a点转动bc杆绕b点转动cd绕c点转动ae绕z轴转动从而使d点相对地面运动达到行走目的
四足机器人
1.平面并联五杆机构
平面并联五杆机构
步行机构模型
常转速电机提供机械系统所需要的大部分功率，以微机控制的伺服电 机作为机械系统的运动调节，调节其输出运动。二种形式的电机输入 运动经一个多自由度机械系统进行运动合成产生所需要的输出运动。 系统的柔性取决于混合机构的形式和尺度。
智能四足仿生机器人PPT课件
第2页/共12页
➢二次开发空间有限
市场上的机器人二次开发 的空间非常有限，这样就 失去了二次开发的乐趣极 大的降低了它学习的使用 价值，所以我们的机器人 将会有很大的二次开发空 间成为学习开发利器。
第3页/共12页
二、研究内容-总体方案
➢机器人机身设计
机身采用亚克力板制作，而 非金属，具有硬度好，轻巧便 宜的特点极大地降低加工和制 造成本
模型的装配
第4页/共12页
二、研究内容-总体方案
➢机器人系统结构图
线性稳压电源
2.4G通信模 块
PC端上位 机
➢研究内容
12路舵机
STM32F103ZET6主控 系统
预留传感器 接口
1．分析研究四2．ARM系统设计，STM32F103ZET6开发装置原理及应用，学习多路PWM 同时控制技术，实现对12路舵机的同时控制；
舵机及执行机构
16*220=3520元
运动控制电路板
16*160=2560元
机器人机身
1200元
其它电子元器件及电路板制作
800元
其他
180元
合计
10000元
第10页/共12页
欢迎各位老师批评指正 谢谢！
第11页/共12页
感谢您的观看！
第12页/共12页
汇报提纲
目的意义
研究内容
汇
人员分工与预期成果
报
提
纲
项目实施进展
对参与人员的意义
项目经费预算
第1页/共12页
一、目的意义
➢四足机器人价格昂贵
市场上的四足机器 人与多足仿生机器 人价格昂贵，造成 学习研究成本过高， 让大多数的发明爱 好者止步，极大的 阻碍了机器人爱好 者的学习。所以我 们的产品将是一款 开源的低成本的四 足机器人。
➢二次开发空间有限
市场上的机器人二次开发 的空间非常有限，这样就 失去了二次开发的乐趣极 大的降低了它学习的使用 价值，所以我们的机器人 将会有很大的二次开发空 间成为学习开发利器。
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二、研究内容-总体方案
➢机器人机身设计
机身采用亚克力板制作，而 非金属，具有硬度好，轻巧便 宜的特点极大地降低加工和制 造成本
模型的装配
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二、研究内容-总体方案
➢机器人系统结构图
线性稳压电源
2.4G通信模 块
PC端上位 机
➢研究内容
12路舵机
STM32F103ZET6主控 系统
预留传感器 接口
1．分析研究四2．ARM系统设计，STM32F103ZET6开发装置原理及应用，学习多路PWM 同时控制技术，实现对12路舵机的同时控制；
舵机及执行机构
16*220=3520元
运动控制电路板
16*160=2560元
机器人机身
1200元
其它电子元器件及电路板制作
800元
其他
180元
合计
10000元
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欢迎各位老师批评指正 谢谢！
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汇报提纲
目的意义
研究内容
汇
人员分工与预期成果
报
提
纲
项目实施进展
对参与人员的意义
项目经费预算
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一、目的意义
➢四足机器人价格昂贵
市场上的四足机器 人与多足仿生机器 人价格昂贵，造成 学习研究成本过高， 让大多数的发明爱 好者止步，极大的 阻碍了机器人爱好 者的学习。所以我 们的产品将是一款 开源的低成本的四 足机器人。
四足仿生机器人详解 ppt课件
7、猎豹机器人
该装置通过电动机来调整位置进行控制，从气体驱动器给 机构注入能量来完成奔跑、小跑等步态。
动物腿部的肌肉连接着两个 关节，奔跑时，当一个关节处收 缩时，该肌肉可使得另一个关节 伸展，如此便完成了迈步的动作 。该结构中也存在这么一种“肌 肉”，即气动驱动装置，它能使 一个关节收缩时，另一个关节作 好伸展准备。
3、BigDog
4、PIGORASS
2011年，东京大学的保典 山田等研制出了一种机器人 “PIGORASS”，它能实现类 似于兔子的运动，能走，能跑 并能完成兔子跳的运动。它是 通过CPU控制的压力传感器和 电位器实现预期的运动，并且 每个肢体都被设计成独立运作 ，都通过一个简单的仿生中枢 神经系统来工作。
四足仿生机器人国外研究现状
典型样机（机械机构特点） 单自由度旋转关节模块
典型四足步行机器人
1、引言
传统的步行机器人设计往往是一个很复杂的过程，为了 达到设想的运动方式，就要进行复杂的结构设计和规划工 作。而仿生学在机器人领域的应用，使得这一工作得到了 简化。动物的身体结构，运动方式，自由度分配和关节的 布置，为步行机器人的设计提供了很好的借鉴。
1.日本Tekken
Tekkn整个机体的重量是3.1kg，单个腿的重量0.5kg。 每条腿有3个主动关和一个被动关节，分别是一个pitch髋关 节、yaw髋关节和pitch膝关节，踝关节是被动关节，主要由 弹性装置和自锁装置构成。
2、Little Dog
2004 年 Boston Dynamics 发布了四足机器人LittleDog， 如图所示。LittleDog 有四条腿，每条腿有 3 个驱动器，具有 很大的工作空间。携带的 PC 控制器可以实现感知、电机控 制和通信功能。LittleDog 的传感器可以测量关节转角、电机 电流、躯体方位和地面接触信息。铿聚合物电池可以保证 LittleDog 有 30 分钟的运动，无线通信和数据传输支持遥控 操作和分析。
01机电(2)班
两步：迈腿和收腿。这两步连续不断的循环，
设其周期为T，迈腿的时间为收腿时间的 1/3，为整个周期的1/4，这个动作对于每 条腿都是一样的：每相邻的两个抬腿动作之 间的相位差为1/4周期，由此可得出机器人 在行走式的四条腿之间的时序关系，如图1 所示：
2.四足协调 机器人要实现稳定的行走，必 须保证每时刻都有三条腿着地，而另外一条 腿用来行走。全部行走的奥秘在于当一条腿 抬起来时，其它三条腿是同时着地并且向后 退的，这样，机器人把抬起的腿向前迈一步 再放下，就走完了一步，之后轮流迈其它的 腿，机器人就可以连续向人根据节肢昆虫的步 行原理，建立起步行运动的模型，将昆虫 的运动进行简化，抽象出四足运动的基本 原理，并制作出了一个理论验证模型，可 以实现前进、后退、左转、右转、避障等 动作，对于研究四足或多足步行机器有很 大的帮助。
步行原理
1.单足行为 每一条腿有两种状态：向前走 和向后走；对于每一个动作状态来讲，分为
前进：右后↑ → 右前↑ → 左后↑ → 左前↑； 后退：右后↓ → 右前↓ → 左后↓ → 左前↓； 左转：右后↑ → 右前↑ → 左前↓ → 左后↓； 右转：右前↓ → 右后↓ → 左后↑ → 左前↑。
选择不同的动作顺序则可以实现不同的行走方式。
控制系统
控制系统采用分布式控制，即每条腿上有一 个单片机来控制本条腿的动作，还有一个中 央控制中心负责给各条腿发送控制信号，协 调各条腿之间的动作。同时中心还接收来自 两个红外传感器传来的信号，辨别是否有障 碍物在前方，以采取不同的行走方式，达到 避障的目的。控制系统的结构框图见图2：
机器人各部分所采用的方案如下： 电 池：Ni-MH 4.8V 1300mAh 处 理 器：ATMEL 89C2051＠12MHz×5 传 感 器：红外传感器
设其周期为T，迈腿的时间为收腿时间的 1/3，为整个周期的1/4，这个动作对于每 条腿都是一样的：每相邻的两个抬腿动作之 间的相位差为1/4周期，由此可得出机器人 在行走式的四条腿之间的时序关系，如图1 所示：
2.四足协调 机器人要实现稳定的行走，必 须保证每时刻都有三条腿着地，而另外一条 腿用来行走。全部行走的奥秘在于当一条腿 抬起来时，其它三条腿是同时着地并且向后 退的，这样，机器人把抬起的腿向前迈一步 再放下，就走完了一步，之后轮流迈其它的 腿，机器人就可以连续向人根据节肢昆虫的步 行原理，建立起步行运动的模型，将昆虫 的运动进行简化，抽象出四足运动的基本 原理，并制作出了一个理论验证模型，可 以实现前进、后退、左转、右转、避障等 动作，对于研究四足或多足步行机器有很 大的帮助。
步行原理
1.单足行为 每一条腿有两种状态：向前走 和向后走；对于每一个动作状态来讲，分为
前进：右后↑ → 右前↑ → 左后↑ → 左前↑； 后退：右后↓ → 右前↓ → 左后↓ → 左前↓； 左转：右后↑ → 右前↑ → 左前↓ → 左后↓； 右转：右前↓ → 右后↓ → 左后↑ → 左前↑。
选择不同的动作顺序则可以实现不同的行走方式。
控制系统
控制系统采用分布式控制，即每条腿上有一 个单片机来控制本条腿的动作，还有一个中 央控制中心负责给各条腿发送控制信号，协 调各条腿之间的动作。同时中心还接收来自 两个红外传感器传来的信号，辨别是否有障 碍物在前方，以采取不同的行走方式，达到 避障的目的。控制系统的结构框图见图2：
机器人各部分所采用的方案如下： 电 池：Ni-MH 4.8V 1300mAh 处 理 器：ATMEL 89C2051＠12MHz×5 传 感 器：红外传感器
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4
1.日本Tekken
2003 年日本电气通信大学的 木村浩等研制成功四足移动 机器人Tekken，如图所示。 该机器人安装了陀螺仪、倾 角计和触觉传感器。采用基 于中枢模式发生器(CPG)的控 制器和反射机制构成控制系 统，其中CPG 用于生成机体 和四条腿的节律运动，而反 射机制通过传感器信号的反 馈，来改变 CPG 的周期和相 位输出，Tekken 能适应中等 不规则地面环境。
21
1、小结
第一部分介绍了国外近几年步行机器人研究上的几个 成果。这些研究都是在仿生学的基础上，通过模拟动物骨 骼结构以及动物腿部自由度的布置，设计步行机器人。其 中，有不少都值得我们借鉴。比如“HUNTER”，相对于 传统的仿狗机器人，它多了肩关节这样的结构。又如最后 提到的猎豹机器人，它通过一种气动装置来模拟猎豹腿部 的肌肉，进而可获得较高的奔跑速度。
四足仿生机器人国外研究现状
1
典型样机（机械机构特点） 单自由度旋转关节模块
2
典型四足步行机器人
3
1、引言
传统的步行机器人设计往往是一个很复杂的过程，为了 达到设想的运动方式，就要进行复杂的结构设计和规划工 作。而仿生学在机器人领域的应用，使得这一工作得到了 简化。动物的身体结构，运动方式，自由度分配和关节的 布置，为步行机器人的设计提供了很好的借鉴。
15
陆地上，速度最快的动物要属猎豹了，虽然目前有很多 研究者对狗与马的仿生研究有了很大的进展，但是有关猎豹 的报道并不多。猎豹奔跑速度一般可达30m/s，一秒跨过距 离是腿长的50倍，奔跑频率更是达到了3hz。所以，以猎豹 为仿生对象显得很有意义。
16
猎豹奔跑时，足末端运动 轨迹类似一个弧形的旋转运动 。奔跑过程中是前脚先着地， 并且前肢通常能使出2.5倍体重 的力量，后肢能使出1.5倍体重 的力量。力量越大，跳出的步 幅也就越大，奔跑速度也就变 快了。通常，能量储存的位置 为腿下部位置，像在髋关节几 乎就没有能量的存储。
5
1.日本Tekken
Tekkn整个机体的重量是3.1kg，单个腿的重量0.5kg。 每条腿有3个主动关和一个被动关节，分别是一个pitch髋关 节、yaw髋关节和pitch膝关节，踝关节是被动关节，主要由 弹性装置和自锁装置构成。
6
2、Linamics 发布了四足机器人LittleDog，
10
5、HUNTER
2010年，韩国汉阳大学的Jang Seob Kim and Jong Hyeon Park 研制成功了一种四足步行机器人“HUNTER”。它的每条腿都有 三个主动关节，两个带被动关节。它的结构参照四足动物狗来进 行设计的。被动关节被设计用来减少腿着地时受地面的影响，通 过弹性装置，能量就可以储存与再利用。
13
实验
行走步态，姿态很低为了保持较高的速度与稳定性。
Pace gait（单侧同步步态），姿态会发生偏移，向两边摆动。14 60cm用时0.9s。
虽然目前机器人研究已经取得了很大的进步，比如机器人 运动过程中实现准确的控制，机器人能适应不同的地面状况作 运动。但是，要实现高速运动仍是步行机器人研究领域中的一 个难题，因为要实现这样的运动，机器人的机械结构、控制方 法设计毕然与传统的机器人不同，并且要考虑多种因素。
17
7、猎豹机器人
2011年，美国加州HRL实验室的M. Anthony Lewisyan和 Matthew R. Bunting等人提出一种仿猎豹的腿部机构。机构的 关键是设计的前置能产生身体重量1.5倍的能量，从而达到类 似猎豹的运动状态，同时保证运动控制准确性。
混合驱动器 蛤蛎壳材料
气动驱动器 电机
如图所示。LittleDog 有四条腿，每条腿有 3 个驱动器，具有
很大的工作空间。携带的 PC 控制器可以实现感知、电机控
制和通信功能。LittleDog 的传感器可以测量关节转角、电机
电流、躯体方位和地面接触信息。铿聚合物电池可以保证
LittleDog 有 30 分钟的运动，无线通信和数据传输支持遥控
19
混合驱动器
20
若完全仿照动物结构进行设计，会使工作量加大，设 计复杂。所以通常腿部结构选择1-3个关节，每个关节1-3 个自由度。
步行机器人关节的布置一般有四类：
a、四条腿为肘关节类型布置 b、四条腿为膝关节型布置
c、前两条腿为膝关节类型，后两条腿为肘关节类型
d、前两条腿围肘关节类型，后两条腿为膝关节类型
11
6、Cheetah
2008年，瑞士洛桑理工大学 的Simon Rutishauser, Alexander 等研制出一种新型四足步行机器 人，“Cheetah”。它是以豹来 作为仿生对象的，每条腿有两个 自由度，分别位于髋关节和膝关 节。膝关节和髋关节可以使用近 端安装RC伺服电机进行驱动。 图中可看出，对于膝关节的驱动 力是通过钢丝装置来实现的。
18
7、猎豹机器人
该装置通过电动机来调整位置进行控制，从气体驱动器给 机构注入能量来完成奔跑、小跑等步态。
动物腿部的肌肉连接着两个 关节，奔跑时，当一个关节处收 缩时，该肌肉可使得另一个关节 伸展，如此便完成了迈步的动作 。该结构中也存在这么一种“肌 肉”，即气动驱动装置，它能使 一个关节收缩时，另一个关节作 好伸展准备。
8
3、BigDog
9
4、PIGORASS
2011年，东京大学的保典 山田等研制出了一种机器人 “PIGORASS”，它能实现类 似于兔子的运动，能走，能跑 并能完成兔子跳的运动。它是 通过CPU控制的压力传感器和 电位器实现预期的运动，并且 每个肢体都被设计成独立运作 ，都通过一个简单的仿生中枢 神经系统来工作。
操作和分析。
7
3、BigDog
波士顿动力学工程公 司还于 2005 年开发了形 似机械狗的四足机器人， 被命名为 BigDog，如图 所示。专门为美国军队 研究设计，号称是世界 上最先进的四足机器人。 Boston Dynamics 公司 曾测试过，它能够在战 场上发挥重要作用为士 兵运送弹药、食物和其 他物品。
12
6、Cheetah
该结构中，前两条腿 比后两条腿要短20%，目 的是避免在迈大步距角的 时候出现腿相碰撞的情况 。腿的末端采用受电弓机 构的形式（其作用是使腿 的最上、最下部分运动一 致，同时减少自由度数目 ，简化设计）。末端出的 弹簧装置在腿落地与离地 时分别起到储能、减小触 地影响，释放能量的作用 。
1.日本Tekken
2003 年日本电气通信大学的 木村浩等研制成功四足移动 机器人Tekken，如图所示。 该机器人安装了陀螺仪、倾 角计和触觉传感器。采用基 于中枢模式发生器(CPG)的控 制器和反射机制构成控制系 统，其中CPG 用于生成机体 和四条腿的节律运动，而反 射机制通过传感器信号的反 馈，来改变 CPG 的周期和相 位输出，Tekken 能适应中等 不规则地面环境。
21
1、小结
第一部分介绍了国外近几年步行机器人研究上的几个 成果。这些研究都是在仿生学的基础上，通过模拟动物骨 骼结构以及动物腿部自由度的布置，设计步行机器人。其 中，有不少都值得我们借鉴。比如“HUNTER”，相对于 传统的仿狗机器人，它多了肩关节这样的结构。又如最后 提到的猎豹机器人，它通过一种气动装置来模拟猎豹腿部 的肌肉，进而可获得较高的奔跑速度。
四足仿生机器人国外研究现状
1
典型样机（机械机构特点） 单自由度旋转关节模块
2
典型四足步行机器人
3
1、引言
传统的步行机器人设计往往是一个很复杂的过程，为了 达到设想的运动方式，就要进行复杂的结构设计和规划工 作。而仿生学在机器人领域的应用，使得这一工作得到了 简化。动物的身体结构，运动方式，自由度分配和关节的 布置，为步行机器人的设计提供了很好的借鉴。
15
陆地上，速度最快的动物要属猎豹了，虽然目前有很多 研究者对狗与马的仿生研究有了很大的进展，但是有关猎豹 的报道并不多。猎豹奔跑速度一般可达30m/s，一秒跨过距 离是腿长的50倍，奔跑频率更是达到了3hz。所以，以猎豹 为仿生对象显得很有意义。
16
猎豹奔跑时，足末端运动 轨迹类似一个弧形的旋转运动 。奔跑过程中是前脚先着地， 并且前肢通常能使出2.5倍体重 的力量，后肢能使出1.5倍体重 的力量。力量越大，跳出的步 幅也就越大，奔跑速度也就变 快了。通常，能量储存的位置 为腿下部位置，像在髋关节几 乎就没有能量的存储。
5
1.日本Tekken
Tekkn整个机体的重量是3.1kg，单个腿的重量0.5kg。 每条腿有3个主动关和一个被动关节，分别是一个pitch髋关 节、yaw髋关节和pitch膝关节，踝关节是被动关节，主要由 弹性装置和自锁装置构成。
6
2、Linamics 发布了四足机器人LittleDog，
10
5、HUNTER
2010年，韩国汉阳大学的Jang Seob Kim and Jong Hyeon Park 研制成功了一种四足步行机器人“HUNTER”。它的每条腿都有 三个主动关节，两个带被动关节。它的结构参照四足动物狗来进 行设计的。被动关节被设计用来减少腿着地时受地面的影响，通 过弹性装置，能量就可以储存与再利用。
13
实验
行走步态，姿态很低为了保持较高的速度与稳定性。
Pace gait（单侧同步步态），姿态会发生偏移，向两边摆动。14 60cm用时0.9s。
虽然目前机器人研究已经取得了很大的进步，比如机器人 运动过程中实现准确的控制，机器人能适应不同的地面状况作 运动。但是，要实现高速运动仍是步行机器人研究领域中的一 个难题，因为要实现这样的运动，机器人的机械结构、控制方 法设计毕然与传统的机器人不同，并且要考虑多种因素。
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7、猎豹机器人
2011年，美国加州HRL实验室的M. Anthony Lewisyan和 Matthew R. Bunting等人提出一种仿猎豹的腿部机构。机构的 关键是设计的前置能产生身体重量1.5倍的能量，从而达到类 似猎豹的运动状态，同时保证运动控制准确性。
混合驱动器 蛤蛎壳材料
气动驱动器 电机
如图所示。LittleDog 有四条腿，每条腿有 3 个驱动器，具有
很大的工作空间。携带的 PC 控制器可以实现感知、电机控
制和通信功能。LittleDog 的传感器可以测量关节转角、电机
电流、躯体方位和地面接触信息。铿聚合物电池可以保证
LittleDog 有 30 分钟的运动，无线通信和数据传输支持遥控
19
混合驱动器
20
若完全仿照动物结构进行设计，会使工作量加大，设 计复杂。所以通常腿部结构选择1-3个关节，每个关节1-3 个自由度。
步行机器人关节的布置一般有四类：
a、四条腿为肘关节类型布置 b、四条腿为膝关节型布置
c、前两条腿为膝关节类型，后两条腿为肘关节类型
d、前两条腿围肘关节类型，后两条腿为膝关节类型
11
6、Cheetah
2008年，瑞士洛桑理工大学 的Simon Rutishauser, Alexander 等研制出一种新型四足步行机器 人，“Cheetah”。它是以豹来 作为仿生对象的，每条腿有两个 自由度，分别位于髋关节和膝关 节。膝关节和髋关节可以使用近 端安装RC伺服电机进行驱动。 图中可看出，对于膝关节的驱动 力是通过钢丝装置来实现的。
18
7、猎豹机器人
该装置通过电动机来调整位置进行控制，从气体驱动器给 机构注入能量来完成奔跑、小跑等步态。
动物腿部的肌肉连接着两个 关节，奔跑时，当一个关节处收 缩时，该肌肉可使得另一个关节 伸展，如此便完成了迈步的动作 。该结构中也存在这么一种“肌 肉”，即气动驱动装置，它能使 一个关节收缩时，另一个关节作 好伸展准备。
8
3、BigDog
9
4、PIGORASS
2011年，东京大学的保典 山田等研制出了一种机器人 “PIGORASS”，它能实现类 似于兔子的运动，能走，能跑 并能完成兔子跳的运动。它是 通过CPU控制的压力传感器和 电位器实现预期的运动，并且 每个肢体都被设计成独立运作 ，都通过一个简单的仿生中枢 神经系统来工作。
操作和分析。
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3、BigDog
波士顿动力学工程公 司还于 2005 年开发了形 似机械狗的四足机器人， 被命名为 BigDog，如图 所示。专门为美国军队 研究设计，号称是世界 上最先进的四足机器人。 Boston Dynamics 公司 曾测试过，它能够在战 场上发挥重要作用为士 兵运送弹药、食物和其 他物品。
12
6、Cheetah
该结构中，前两条腿 比后两条腿要短20%，目 的是避免在迈大步距角的 时候出现腿相碰撞的情况 。腿的末端采用受电弓机 构的形式（其作用是使腿 的最上、最下部分运动一 致，同时减少自由度数目 ，简化设计）。末端出的 弹簧装置在腿落地与离地 时分别起到储能、减小触 地影响，释放能量的作用 。