具有脊柱的四足仿生机器人的结构设计

具有脊柱的四足仿生机器人的结构设计
上海交通大学王贱人
摘要
机器人在军事、星球表面探测、核工业等方面有着非常广阔的应用前景。

目前研究的多足仿生步行机器人，从总体上看，其机动性还不足够好，对环境的适应性不够，越障能力也较弱。

通过对以猎豹等为代表的高敏捷性、能进行快速运动的动物运动机理及越障过程的深入研究可以发现，这些动物在快速运动中利用了腰肌的力量与腿部动作的配合，提升了跑跳与越障能力。

为了利用机体变化与腿结构运动的协调，提升仿生机器人的跳越及越障能力，本文设计了一种具有可变机体的新型四足仿生机器人构型。

本文首先介绍了四足仿生机器人国内外研究现状，然后跟据猎豹的骨骼结构，建立了具有脊柱的四足仿生机器人模型，设计了关节驱动专用储能单元，该储能单元可以通过控制电磁离合器来实现机器人的正常行走与跳跃功能。

在此基础上，通过对该类机器人建立运动学模型，对其正运动学及逆运动学问题进行了详细研究。

在正运动学分析中，针对运动方程组中包含多冗余驱动角度，而求解冗余驱动角度十分困难的问题，本文提出了一种降维解法，通过将运动方程组的一个方程转为约束方程，对运动方程组的其余方程采用迭代运算以求满足约束的解，可以有效的求出冗余驱动角。

该降维解法可以有效地解决冗余驱动机器人机构运动分析中，方程求解困难的典型问题，为解决同类问题提供了参考。

然后，本文对机器人进行了跳跃步态的规划，利用图解法先在CAD等绘图软件中测量出各腿立足点及机体质心的位置，然后用逆运动学公式求出各腿关节角，建立各关节驱动函数，导入ADAMS中进行运动学仿真分析。

通过ADAMS仿真分析，得到各个关节角与关节驱动储能单元的关系，并绘制相应的关系曲线图，为以后的控制系统提供理论依据。

关键词：四足仿生机器人；可变机体；储能单元；降维解法；ADAMS仿真
第一章绪论
1.1 引言
机器人已经在很多方面获得成功应用，特别是机器人能够代替人类在一些非结构性环境中作业，在军事、星球表面探测、核工业等方面有着非常广阔的应用前景。

目前的多足仿生步行机器人，其机动性不好，对环境的适应性不够，越障能力较弱，运动步态的模式较有限。

比较典型的，仿生步行机器人实现对沟壑、障碍的跳跃就比较困难。

目前，国内外学者对四足仿生机器人的研究取得了很大的进展，但对各类仿生机器人的研究，较多的集中在对单腿系统的研究，通常将机器人的机体多设置为刚体。

通过对以“猎豹”为代表的高敏捷性、能快速运动的动物跑跳机理及越障过程的深入研究，可以发现，很多动物在快速运动中利用了腰肌的力量与腿脚动作的配合。

因此，本课题提出一种具有储能功能的变机体四足仿生机器人，在对现有多足仿生移动机器人单腿系统研究的基础上，考虑模拟动物的腰肌变化，对机体的柔性、储能等功能进行仿生研究。

通过在机体上设置储能单元，将机体变化和腿部弹跳相结合，研究新的运动步态及运动过程，以提高机器人的仿生特性，增强机器人的运动速度、机动性与跑跳性能。

1.2 研究背景及意义
目前，多足机器人已经在很多方面获得成功应用。

特别是多足机器人能够代替人类在一些非结构性环境中作业，在军事、星球表面探测、核工业等方面有着非常广阔的应用前景。

多足步行机器人在非结构环境下工作，要求具有高的机动性、快的运动速度。

而限于机器人研究水平，现有的多足步行机器人更多是作为一种移动平台，在非结构性环境中实现高机动、自主精确的快速运动的特性还不够。

四足步行机器人作为足式机器人的重要组成部分，近年来，各工业发达国家都将其作为具有战略意义的前沿技术，投入巨资支持开展研究工作。

美国Boston Dynamics公司研究BigDog[1]的成功,在世界上掀起了研究具有实用性自律移动机器人的高潮[2-3]。

我国也非常重视高性能四足仿生机器人的开发。

国家863计划先进制造领域，
于2010年发布了“高性能四足仿生机器人”主题项目指南，吹响了“十二五”期间我国高性能四足机器人技术攻关的号角[4]。

近年来，我国对四足仿生机器人的研究取得了巨大进步，如：山东大学李贻斌教授的团队[5]、上海交大高峰教授的团队[6]、哈尔滨工业大学赵杰教授的团队[7]，还包含中科院沈阳自动化所、清华大学、华中科技大学、湖南大学、北京航天航空大学等在相关研究领域取得了很大的成绩。

目前研究的多足仿生步行机器人，从总体上看，其机动性还不足够好，对环境的适应性不够，越障能力也较弱，运动步态的模式较有限。

比较典型的，仿生步行机器人实现对沟壑、障碍的跳跃就比较困难，运动速度也比较慢。

为提高步行机器人的运动性能，国内外学者加强了对机器人仿生特性研究，模拟动物关节及肌肉功能，开发具有结构弹性的仿生机器人。

国际上，目前开展的对“猎豹”机器人的研究，代表了这个趋势，也取得了很大的进展。

但对各类仿生机器人的研究，较多的集中在对单腿系统的研究，通常将机器人的机体多设置为刚体。

因此，本课题提出研究具有储能功能的可变机体四足仿生机器人，在现有对多足仿生移动机器人单腿系统研究的基础上，考虑模拟动物的腰肌变化，对机体的柔性、储能等功能进行仿生研究。

通过将机器人机体设置为构型可变、可储能、变化规律可控的结构单元，将机体变化和腿部跑、跳结合，研究运动过程中，机器人整体结构与姿态变化的新模式，以提高机器人的仿生特性，提升机器人的运动速度、机动性与跑跳性能。

1.3 国内外研究现状
足式机器人能够跨过障碍，能够运动在崎岖的道路和泥泞的土地上。

其灵活性和环境适应性远优于轮式机器人。

对足式机器人的研究开展很早。

1981年，美国麻省理工学院的Raibert 等人研制出世界上第一台以跳跃为主要运动方式的机器人。

该机器人腿部装有具有弹簧功能的气缸，通过控制器来控制弹跳高度和姿态，该机构无法保持静态平衡，但为机器人的运动提供了一种全新的方式[8-10]。

从此，越来越多的科研人员开始了跳跃机器人的研究。

日本的Hvon教授于2002年模仿狗的后腿设计出一款能够跳跃的单足机器人。

该机器人通过弹簧提供推动力实现跳跃，并利用弹簧作为着地缓冲装置[11-15]。

该机构具有一定的跑步和跳跃性能。

2006年，意大利CRIM实验室的Scarfogliero等人根据弹射原理分别利用电磁铁和凸轮作为驱动方式，利用弹簧进行能量存储，设计开发了两代小型跳跃机器人，其长度约为50mm，重量为15g，该机构具有一定的弹射性能，但不能实现连续性跳跃[16-19]。

为了使机器人具有更高的机动性、更快速的运动能力，对机器人的结构与控制开展了广泛研究，尤其是对腿的研究。

比如Semini C 等[20-21]将液压和电子相结合，开发出电子液压驱动四足仿生机器人HyQ。

该机器人由12个液压驱动器驱动，通过电子系统控制液压系统可以实现机器人的行走及跑跳等动作。

在早期的机器人中，机器人运动速度较低，如TITAN-III[22]等如今，“猎豹”机器人是世界上运动最快的腿式机器人[23]。

大多数足式机器人采用电力驱动，像ASTERRISK[24]和KOLT[25]等，但其承载能力有限。

采用燃料及液压系统，机器人的承载能力更强,如LS3[26]。

由于机器人的机动性和负载之间通常相互矛盾，当负载和体重增加，其机动性和敏捷性会下降，相应地降低了机器人的稳定性。

为了解决这个问题，增加机器人的机动性和负载能力，广泛开展了对机器人腿部结构、运动与控制的研究。

如Siyu Chen等[27]，开发一个仿生四足机器人, 通过模仿四足动物，增加动态稳定性、适应性和能力。

要求四足机器人的腿结构设计具有对力扰动的高响应，能够支持重高负荷，且对抵御外部冲击高度敏捷。

CHEN BIN等[28]，设计了一种新的仿生四足机器人-Hound（猎狗）。

基于仿生学研究，确定机器人的结构和几何关系，特别是腿的结构。

研究了实现腿结构的优化设计，提高机器人腿的工作空间区域和提高机器人身体的灵活性等。

通过分析机器人的工作区、灵活性、穿越障碍的高度等，发现腿部结构各段的最佳长度比。

Ananthanarayanan A等[29]研究了适用于高速运行的仿生腿，设计腿时，考虑了在重量和强度之间的平衡。

其腿部设计灵感来自肌肉骨骼结构，采用腱骨协同定位体系。

1.4 国内跳跃机器人研究
西北工业大学的葛文杰课题组近年来在跳跃机器人方面的研究取得了一些进展[30- 41]。

该课题组设计的跳跃机器人采用非对称式齿轮六杆机构作为跳跃腿，通过丝杠传动拉伸弹簧。

该机器人总质量为620g，跳跃高度为30-45cm[42-43]。

随后该课题组对上述机器人进行改进，采用齿轮五杆机构作为跳跃腿部机构，并添加姿态调整装置，该机构跳跃高度为20cm[44]。

东南大学的宋光明教授等人研制了具有滚动和跳跃能力的室内安保机器人，该机器人安装有摄像装置，跳跃足采用齿轮六杆机构，该机器人长度为9 cm，质量为250g，能够跳跃相当于自身高度四倍的高度[45]。

随后，该课题组在沿用瑞士跳跃机器人偏心凸轮和四杆机构的基础上，进行改进并添加了翻身装置和无线通信功能。

该跳跃机器人高为122cm，质量为150 g ，能够跳跃105 cm的高度[46]。

哈工大赵杰课题组的王猛等人在研究青蛙跳跃的基础上采用齿轮五杆机构作为机器人的跳跃腿，前肢含有一个被动自由度，采用伺服电机控制前肢的运动，使其在起跳阶段可以进行姿态调整，并且落地时具有一定的缓冲功能。

该机器人长25 cm，宽18cm，高6cm，质量约为2．2 kg 。

该机器人跳跃高度约为34．5 cm[47-48]。

浙江大学李霏等人通过仿生叶蝉的跳跃步态，研制了两代小型跳跃机器人，该机构采用四杆机构作为跳跃腿，采用缺齿齿轮作为触发机构，能实现相当于自身高度4倍距离的跳跃，并通过加装两翼，提高了机构跳跃的稳定[49-52]。

哈工大的李满天等[7]系统研究了四足仿生机器人的单腿系统。

在对四足哺乳
动物肌肉-骨骼结构分析的基础上，确定了机器人单腿的自由度配置；通过机器人在平坦路面上的行走运动仿真，获得了关节输出特性；在仿真研究的基础上，完成了关节驱动机构设计、液压驱动器选型、4自由度单腿设计等。

1.5 国内外研究现状总结分析
目前研究的多足仿生步行机器人，从总体上看，其机动性还不足够好，对环境的适应性不够，越障能力也较弱，运动步态的模式较有限。

比较典型的，仿生步行机器人实现对沟壑、障碍的跳跃就比较困难，运动速度也比较慢。

为提高步行机器人的运动性能，国内外学者加强了对机器人仿生特性研究，模拟动物关节及肌肉功能，开发具有结构弹性的仿生机器人。

目前，国内外学者对四足仿生机器人的研究较多的集中在对单腿系统的研究上，通常将机器人的机体多设置为刚体。

通过对以“猎豹”为代表的高敏捷性、能快速运动的动物跑跳机理及越障过程的深入研究，可以发现，很多动物在快速运动中利用了腰肌的力量与腿脚动作的配合[53-54]。

跑跳速度快的动物在高速奔跑或者跳跃过程中存在背部弯曲的现象，这种现象被生物学家解释为是对其跳跃能量起存储和释放作用的缘故。

如Hildebrand[55]通过四足哺乳动物中奔跑速度最快的一种印度豹的奔跑姿态分析研究指出，印度豹在快速奔跑时存在很明显的背部弯曲现象，但在行走时就不会有这种现象。

这个结论已被普遍用来解释动物高速奔跑时的能量优势。

Taylor[56]研究认为动物身体中的腹肌能储存更多的弹性势能。

Alexander[57]还用实验数据证明了这一理论，同时提出了腹肌储存的弹性势能还有助于在腾空阶段调整腿部运动姿态的观点。

因此，本文提出一种可变机体四足仿生机器人构型，在对现有多足仿生移动机器人单腿系统研究的基础上，考虑模拟动物的机体变化，通过机体的变化与腿脚结合，提升机器人的机动性。

1.6 本文的结构安排
本文对机器人的整体方案及具体结构进行了设计，然后进行运动学分析，最
后采用ADAMS对典型跑跳步态进行了动力学仿真分析。

具体结构安排如下：第二章具有脊柱的四足仿生机器人的结构设计
2.1 引言
目前，多足机器人已经在很多方面获得成功应用。

特别是多足机器人能够代替人类在一些非结构性环境中作业，在军事、星球表面探测、核工业等方面有着非常广阔的应用前景。

多足步行机器人在非结构化、存在不确定性的环境内移动具有较大的优势。

四足步行机器人作为足式机器人的重要组成部分，近年来，各工业发达国家都将其作为具有战略意义的前沿技术，投入巨资支持开展研究工作。

国内外学者对四足仿生机器人的研究取得了很大的进展，但对各类仿生机器人的研究，较多的集中在对单腿系统的研究，通常将机器人的机体多设置为刚体。

通过对以“猎豹”为代表的高敏捷性、能快速运动的动物跑跳机理及越障过程的深入研究，可以发现，很多动物在快速运动中利用了腰肌的力量与腿脚动作的配合。

因此，本章围绕这一思路，主要介绍具有脊柱的四足仿生机器人的结构设计。

2.2 多足机器人的一般构型
一般来讲，多足步行机器人是由若干条腿和机体组成的，机器人的机体是一个规则的平台，机架与每条腿之间通过髋关节相连接。

由于机器人髋关节不同的布置方式，也使得机器人的机构及运动特征不尽相同。

足式机器人的各种类型结构示意图如图2-1所示：
（i）类爬行动物的四足机器人结构简图；
（ii）类爬行动物的六足机器人结构简图；
（iii）类哺乳动物的四足机器人结构简图。

（i）类爬行类四足机器人 (ii）类爬行类六足机器人 (iii）类哺乳类四足机器人
图2-1机器人结构简图
由图2-1可以发现，类爬行动物的机器人运动特征在于机器人髋关节旋转轴和机器人机身平面垂直；而类哺乳动物的机器人运动特征在于机器人髋关节旋转轴和机身平面平行。

本章以类哺乳动物为研究对象，设计具有脊柱的四足仿生机器人。

2.3类哺乳动物的四足机器人构型分析
2.3.1 四足哺乳动物结构特点
猎豹是世界上奔跑速度最快的四足哺乳动物。

由猎豹的形态学和解剖学研究结果可知，其前、后腿腿部关节通常采用膝、肘对顶的配置方式，这种配置方式有助于改善猎豹俯仰运动的稳定性[58]。

猎豹腿部主要包括髋关节、膝关节和踝关节，共有4个自由度（其中髋关节包含2个自由度，膝、踝关节各包含一个自由度）。

在猎豹行走过程中，肩胛和骨盆扩展了其腿部的运动空间。

腿部的多个自由度使得猎豹能很好的适应各种地形，更灵活的调整身体的姿态和运动步态。

踝关节处连接有跟腱等弹性储能元件，这在动物的奔跑过程中发挥了很大的作用，增强了动物着地时对地面的缓冲。

猎豹的骨骼肌肉结构，为四足仿生机器人的设计开发提供了良好的借鉴。

图2-2猎豹骨骼结构图
2.3.2机器人自由度配置
设计的四足仿生机器人单腿的结构设计是以猎豹为生物原型，模仿猎豹四肢膝肘对顶的方式设计前后腿的结构，模仿猎豹奔跑时腰肌收缩动作，在机器人机体部分设计一个主动收缩关节。

为简化结构，将踝关节处跟腱等弹性元件设计到小腿末端，省去踝关节结构。

具体实施方式为在小腿末端添加直线弹簧等弹性元件，以减轻机器人着地时与地面的冲击力。

另外，为简化分析，机器人的前后腿采用相同的结构。

机器人的可变机体分为前后两个板块，模拟猎豹的腰椎，中间包含1个自由度。

机器人腿部分为三个部分。

第一部分模拟肩甲和骨盆，此处有2个自由度，分别是髋关节的横摆和臀关节前摆自由度；其中横摆自由度可以提高机器人在外向侧力作用下的抗干扰能力。

第二部分模拟猎豹腿部结构，包含膝关节1个自由度。

此外，在机器人腿部末端引进弹性元件，模拟猎豹的跟腱等弹性环节，以减弱足端与地面接触时产生的冲击力。

可变机体模块化四足仿生机器人自由度配置如图2-3所示：
图2-3 机器人自由度配置
2.4具有脊柱的四足仿生机器人的整体构型
本文研究的四足仿生机器人是类似于图2-1中的（iii ）类哺乳动物机器人。

为实现机器人的快速运动，本文所研究的机器人拟采用专用的储能单元来驱动各个关节的运动。

如前所述，机器人主要由可变机体模块、单腿系统模块、机体储能单元模块和控制系统模块等组成。

其中单腿模块又由髋关节模块、大腿模块、小腿模块和关节储能单元模块组成。

可变机体模块中间转动关节由机体储能单元模块驱动，可实现机体的快速伸展与收缩，也可以实现可变机体前后两个板块的锁止。

髋关节模块中的横摆关节由一个伺服电机驱动，可扩展机器人腿部运动空间；臀关节、膝关节和踝关节由关节储能单元驱动。

腿部末端安装有直线弹簧，以减弱足端与地面接触时产生的冲击力。

本课题研究的具有脊柱的四足仿生机器人的SolidWorks 三维模型如图2-4所示。

机体关节自由度
髋关节横摆自由度
臀节前摆自由度
膝关节前摆自由度
末端被动直线弹簧
膝肘对顶配置
图2-4 四足仿生机器人三维模型
表2-1机器人主要设计参数与指标
项目设计参数
机身（长×宽×高）1020mm×333mm×659mm 总重30.893kg
足数四足
自由度13
驱动方式储能单元
控制方式伺服
机体关节运动范围0°~ 0°
髋关节运动范围-45°~ 45°
臀关节引动范围-90°~ 45°
注：每条腿还有三个关节，包含3个自由度；忽略腿部末端的直线弹簧引进的被动自由度，故该机器人共有4×3+1=13个自由度。

2.5 四足仿生机器人可变机体模块的设计
机器人可变机体结构图如图2-5所示：
1 髋关节连接耳板
2 滑动轴承MPSZ
3 可变机体（后）
4 控制系统安装架
5 滑动轴承MPSZ
6 髋关节连接耳板
7 可变机体储能单元支架
8 可变机体前后连接轴销
9 机体储能单元 10 可变机体储能单元支架
11可变机体（前） 12 机架连接螺栓
图2-5 机器人可变机体结构图
机器人可变机体主要包括前后两个机体，中间通过轴销连接。

在可变机体的上部设置有控制系统安装架，通过螺栓与机体固接。

可变机体下方靠近中间连接轴销的一方安装有机体储能单元支架，机体储能单元两端连接杆通过轴销与储能单元支架铰接。

可变机体前后两端设置有髋关节连接耳板，连接耳板上安装有滑动轴承MPSZ ，以减小髋关节转动时的摩擦力。

滑动轴承MPSZ 通过螺钉固接在髋关节连接耳板上。

2.6 四足仿生机器人腿部模块的结构设计
机器人腿部模块结构图如图2-6所示，
机器人的腿部模块主要由髋关节模块、
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膝关节运动范围 0°~ 90°
大腿模块、小腿模块、脚踝模块、关节储能单元模块等五个部分组成，各模块之间通过旋转关节轴销连接，其中踝关节与足端之间为弹性被动关节，其余为主动关节。

髋关节模块包括两个自由度，即侧摆自由度和前摆自由度。

髋关节两端通过轴销与机架上的髋关节连接耳板铰接，大腿模块上端与髋关节模块连接，此处有一个自由度。

髋关节模块与大腿模块之间布置一个机电一体化的储能单元模块，通过储能单元驱动大腿模块实现前摆动作。

储能单元模块两端连杆分别与髋关节和模块大腿模块连接。

小腿模块、脚踝模块之间的连接设计基本相同，在此不再赘述。

1
2
3
4
5
6
1 可变机体模块
2 髋关节模块
3 臀关节储能单元
4 大腿模块
5 膝关节储能单元
6 小腿模块
图2-6单腿模块结构图
2.6.1 髋关节模块设计
髋关节模块包括两个自由度，即侧摆自由度和前摆自由度。

髋关节主体两端一段安装有主动转动轴销，另一端安装有被动转动轴销；可变机体上的髋关节连接耳板内侧安装有滑动轴承MPSZ，以减小髋关节转动时的摩擦力；髋关节主动转动轴销和被动转动轴销通过滑动轴承分别与两端的连接耳板铰接。

髋关节侧摆伺服电机通过电机安装架安装在可变机体上，伺服电机输出轴通过螺旋联轴器与髋关节主动轴线连接，驱动髋关节的侧摆运动，扩展机器人的运动空间，增加了机器人的稳定性。

髋关节的一端下方安装有髋关节前摆支架，前摆支架下端安装有滑动轴承，与大腿关节通过关节轴销铰接。

髋关节的另一端下方安装有髋关节前摆储能单元支架，通过轴销与储能单元一端的导杆铰接，储能单元另一端的导杆通过轴销与大腿铰接。

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1 滑动轴承
2 髋关节前摆支架
3 髋关节转轴局部图
4 螺旋联轴器
5 伺服电机支架
6 伺服电机
7 髋关节主体
8 髋关节前摆储能单元支架
图2-7 髋关节模块结构图
1 髋关节连接耳板
2 滑动轴承锁紧螺钉
3 滑动轴承MPSZ 4髋关节主体
5 髋关节前摆支架
6 髋关节主动转轴锁紧螺钉
7 髋关节主动转轴8螺旋联轴器
图2-8 髋关节转轴局部图
2.6.2 大腿模块设计
大腿模块是由两片大腿侧板平行放置，通过若干长圆柱螺母和螺钉固定连接而成。

大腿侧板上开有若干个长孔，以减轻大腿模块的重量。

大腿模块上端设置有髋关节前摆连接轴销，与髋关节前摆支架连接。

前摆轴销下方设置有两个储能单元导杆连接轴销。

大腿模块下端设置有膝关节前摆连接轴销，与膝关节连接件连接。

其结构图如图2-9所示。