四足仿生机器人详解 ppt课件

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。
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。
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。
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。
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。
5、NTER
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。
混合驱动器
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
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
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 。
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。
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。
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。
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。
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。
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。 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。