创意之星之四足机器人
四足仿生机器人毕业设计
四足仿生机器人毕业设计毕业设计背景随着科技的飞速发展，机器人技术在工业、医疗、军事等领域发挥着重要作用。
而仿生机器人技术尤为吸引人们的注意，它借鉴了生物学中的智慧，通过模仿动物的结构和行为来实现各种功能。
四足仿生机器人是一种模拟四足动物的机器人，具有行动灵活、稳定性强等优点。
它可以在不平坦的地形上自由移动，拓展了机器人的应用范围。
本毕业设计将设计和制作一款四足仿生机器人，通过对其机身结构、运动控制和智能算法等方面的研究，提高机器人的稳定性、灵活性和智能性能，为未来机器人技术的发展做出贡献。
毕业设计目标本毕业设计的目标是设计和制作一款具备以下特点的四足仿生机器人：1.机身结构紧凑、轻量化，以增加机器人的灵活性和运动速度；2.采用先进的运动控制算法，提高机器人的稳定性和动态能力；3.集成各种传感器和感知技术，使机器人具备环境感知和自主导航的能力；4.具备一定的智能化能力，可以完成基本的任务，如物品搬运、巡逻等。
毕业设计内容1. 机身结构设计与制作1.1 机身结构设计通过研究四足动物的骨骼结构和运动方式，设计一种紧凑而稳定的机身结构。
考虑材料的选择、关节的设计以及机身部件的连接方式等因素，使机器人能够灵活自如地在各种地形上行走。
1.2 机身结构制作根据机身结构设计，制作出机体骨架、关节部件和外壳等，并进行组装和测试。
通过优化机身结构，提高机器人的运动效率和结构强度，达到设计要求。
2. 运动控制算法研究与实现2.1 运动学分析通过对四足仿生机器人的运动学进行建模和分析，推导出机器人的运动学方程，为后续的运动控制算法设计提供依据。
考虑机器人的步态、关节角度和身体姿态等因素，实现机器人的平稳运动和姿态控制。
2.2 动力学分析基于运动学分析的基础上，进一步进行机器人的动力学分析，推导出机器人的动力学方程。
根据机器人的质量、惯性和外部力矩等因素，实现机器人的动态行走和冲击抗性。
2.3 控制算法设计与实现根据运动学和动力学分析的结果，设计机器人的运动控制算法。
四足机器人机械结构设计
摘要四足机器人在19世纪就有研究记录，但无论是机械结构还是控制因受到技术的束缚，到20世纪末，才有了突破性的进展。
四足机器人的应用很广，现在已经在军事上得到应用，推广民用也只是时间问题。
它以其能适应各种复杂地形以及能承载一定负重而优于轮式机器人。
在国外，也已经开始在物流行业应用四足机器人。
现在国内也掀起了四足机器人的研究热潮，以宇树科技为首的一大批公司在前后发布四足机器人量产及推出市场的信息。
本课题四足机器人机械结构设计主要是从简单的四足机器人结构入手，在原有的八自由度的基础上，优化八自由度的方案，得到其中的经验，为十二自由度的四足机器人的设计打下基础。
并且提供一个廉价的八自由度四足机器人的设计方案，能在一定程度上降低四足机器人在中国高校的研究门槛。
关键词：四足机器人；电控制；测试与仿真；同步轮计算AbstractQuadruped robots have been studied in the 19th century, but it was not untilthe end of the 20th century that breakthroughs were made in terms of mechanical structure and control technology. Quadruped robot has been widely used in military,and it is only a matter of time before it is popularized in civilian. It is better than wheeled robot because it can adapt to various complex terrain and can carry certainload. In foreign countries, quadruped robots have been applied in the logistics industry. Now there is also a upsurge of research on quadruped robots in China. Alarge number of companies led by Yushu technology have released information aboutmass production and market launch of quadruped robots around the world.In this paper, the mechanical structure design of quadruped robot is mainlybased on the simple structure of quadruped robot. On the basis of the original eight degrees of freedom, the eight degrees of freedom scheme is optimized, and the experience is gained, which lays the foundation for the design of twelve degrees of freedom quadruped robot. And provide a cheap design scheme of 8-DOF quadrupedrobot, which can reduce the research threshold of quadruped robot in Chinese universities to a certain extent.Keywords: Quadruped robot; Electric control; Optical torque sensor; Test and simulation; Synchronous wheel calculation目录1 .引言 (3)1.1 研究意义 (3)1.2 国内外研究现状 (3)1.2.1国外研究概况 (3)1.2.2国内研究概况 (5)1.2.3总体发展概况 (7)1.3主要研究内容 (8)2．四足机器人总体方案的基础理论规则 (9)2.1 四足哺乳动物的近似运动模型 (9)2.2 近似运动模型下的四足机器人设计规则 (9)2.3 四足机器人腿长腿间距的选取，及腿的布局 (10)2.4 四足机器人腿越长越稳、机身质量越大越稳 (13)2.5 前期验证总体方案的腿部结构测试（9月份测试模型） (14)2.5.1测试目的： (14)2.5.2测试结构方案： (14)2.5.3测试方式： (15)2.5.4测试结果以及优化方案： (15)3．冲击设计：估计碰撞过程中的传输载荷 (20)3.1 碰撞的鲁棒性对机械结构的影响 (20)3.2 通心轴的有限元分析 (22)3.2.1 Soildworks2019简介 (22)3.2.2 Soildworks2019 Simulation 插件介绍以及通心轴有限元分析 (22)3.3 同步轮及同步带节线长的计算 (23)4.整体方案的确定以及优化 (24)4.1 同步轮及同步带节线长的计算 (24)4.2 整体机构具体方案实物展示及二次优化方案 (25)4.2.1 第一版的优化方案（已做出实物）： (25)4.2.2 第二版的优化方案： (26)5. 三维建模图展示 (27)6. 总结 (28)1 .引言1.1 研究意义足式机器人未来的发展前景很大，它除了能应用在军事、航空探索领域上以外（例如扫雷排雷、运输物资等），还能在物流行业（外卖配送、快递运输等）、教育行业（硬件的学习以及功能、算法的开发等）还有智能家电等行业占有一席之地。
四足机器人方案设计书
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。
四足机器人运动原理
四足机器人运动原理
四足机器人是一种仿生机器人，它的运动原理基于模拟动物的行走方式。
它拥有四条类似于四肢的机械结构，通过一系列的电动和机械部件来实现运动。
四足机器人的运动分为步态运动和平衡控制两个主要部分。
在步态运动方面，四足机器人采用类似于动物的步态，即通过交替运动四条腿来实现行进。
通常有两种常见的步态模式：波浪步态和踏步步态。
波浪步态是指后腿向前迈进，前腿向后摆出的运动方式，这种步态在速度较慢的情况下运动稳定；而踏步步态是指前后两条腿轮流进行迈步的运动方式，这种步态在速度较快时更适用。
为了实现平衡控制，四足机器人通常配备了倾角传感器和陀螺仪等传感器来检测机器人的倾斜情况。
通过实时检测和反馈机制，机器人可以根据倾斜情况进行动态平衡调整，以保持稳定的行走状态。
除了步态和平衡控制，四足机器人的运动还涉及到其他方面的技术，比如轮辐传动、电机驱动、关节设计等。
这些技术的应用使得四足机器人能够在不同的地形和环境中自如地行走，并完成一系列特定的任务。
总的来说，四足机器人的运动原理是通过模拟动物的行走方式，配合平衡控制和其他关键技术，实现机器人的步态运动和移动
能力。
这种仿生设计使得四足机器人能够在各种复杂的环境中进行灵活的运动和任务执行。
BigDog四足机器人关键技术分析
2、控制模块
2、控制模块
BigDog四足机器人的控制模块采用了先进的控制算法和硬件设备，可以实现 机器人的稳定行走和动态调整。通过复杂的算法和传感器数据反馈，机器人的步 态和姿态可以得到精确控制，使其在不同的地形和环境下保持稳定运动。
3、传感模块
3、传感模块
BigDog四足机器人的传感模块包括多种传感器，如IMU、地面力传感器、距 离传感器等。这些传感器可以实时监测机器人的运动状态、位置信息、地形变化 等，为控制模块提供数据支持，使机器人能够适应不同的环境和工作条件。
机器狗整体结构分析
传感器：BigDog四足机器人装有多种传感器，包括加速度计、陀螺仪、压力 传感器和触觉传感器等，以实现对其运动状态和周围环境的感知。
机器狗整体结构分析
电子控制系统：电子控制系统是BigDog四足机器人的核心部分，它可以接收 传感器的信号，根据预设的算法对机器人的运动进行控制。
机器狗整体结构分析
机器狗应用场景分析
机器狗应用场景分析
BigDog四足机器人的应用场景非常广泛，主要包括工业、医疗和军事等领域。 在工业领域，BigDog四足机器人可以用于生产线上的货物搬运、设备维修和 安全巡检等工作。由于其具有较好的越障能力和适应能力，可以在不同环境下完 成相关任务。
机器狗应用场景分析
在医疗领域，BigDog四足机器人可以用于康复训练、护理服务和医疗救援等 工作。例如，在地震等灾害现场，BigDog可以帮助救援人员快速找到被困人员， 并运送物资和设备。
机器狗控制技术分析
智能感知：智能感知技术可以帮助BigDog四足机器人感知周围环境，包括地 形、障碍物和人员等信息。通过这些感知信息，BigDog可以自主判断当前环境， 并作出相应的反应。
Big_Dog四足越野机器人
Big Dog四足越野机器人Big Dog四足越野机器人像生物一样，具有自主决策能力、能快速行走及捕获流动物体，这种机器人能像传统车辆机器人一样在陡峭，岩石，车辙，湿地，泥泞与雪地里行走。
本文就是以波士顿动力学工程公司设计的这种新的越野机器人Big Dog为对象，从这个机器人的感知、移动、通信、驱动等系统方面出发，简单介绍相应的实现机理与控制的方案。
出色的“大狗”身强力壮的“挑夫”我们在泥泞、雪地和倾斜地面、也包括车辙、岩石和松散碎石等环境中都测试过大狗。
尽管大狗通常携带50kg负载，但是在地势平坦的地方却可以携带154kg负载。
大狗有大量的运动行为它能站立,蹲下，一次一条腿动的爬行，对角线脚一起动的慢跑，包括有一个腾空过程的小跑，和像马一样飞驰。
在实验室测得爬行速度约0.2m/s，慢跑速度约1.6m/s，腾空小跑速度约2m/s，飞驰速度约3.1m/s。
大狗自重约109kg，约1米高，1.1米长，0.3米宽。
视觉敏锐的侦察兵大狗身上集成了立体视觉系统和激光雷达立体视觉系统可以收集到机器人前方的三维地形状况，并找到一条最适合的前进途径。
激光雷达可以使大狗能接受人的引导，而不需要操控人员不断发出操控指令。
超强的越野性能这种机器人能像传统车辆一样在陡峭，岩石，车辙，湿地，泥泞与雪地里行走。
也能够在有台阶、楼梯和家里杂乱的限制轮子的城市家庭环境中行走Big Dog越野机器人各系统结构通过相关资料的查阅，下面对Big Dog越野机器人组成的各部分系统进行简单介绍。
1、动力系统Big Dog越野机器人的动力源是由一个约15马力的水冷二冲程内燃机提供的。
内燃机驱动一个液压泵，提供高压液压油，通过过滤器、歧管、蓄电池等其他管道到达机器人的脚驱动器。
2、驱动系统它的执行器是通过两个阶段调节航空伺服阀来调节低摩擦液压缸工作的。
每个执行器都有位置传感器和力传感器。
每条腿有四个连接了动力的执行器，故有5个自由度。
同时，Big Dog 身上安装有一个热交换器冷却液压油和一个散热器冷却发动机以维持其连续运行。
四足机器人原理
四足机器人原理嘿，朋友们！今天咱来聊聊四足机器人原理，这可真是个超级有趣的玩意儿呢！你想想看，那四足机器人就像一只灵活的小怪兽，能在各种地方跑来跑去。
它为啥能这么厉害呢？这就得从它的构造说起啦。
就好比咱人走路得靠两条腿交替迈步吧，四足机器人也是一样的道理，只不过它有四条腿呢。
这四条腿就像是它的法宝，通过各种精妙的设计和控制，让它能稳稳地站立，还能快速地移动。
它的每条腿都有好多关节呀，就像咱人的关节一样，可以弯曲、伸展，这样就能适应不同的地形。
要是遇到个小坡呀，它的腿稍微调整一下角度，嘿，轻松就上去了！这多神奇呀！还有哦，四足机器人的控制系统就像是它的大脑。
这个大脑可聪明啦，能指挥着四条腿该怎么动，什么时候动。
这就好像咱要去一个地方，得先想好怎么走一样。
再说说它的动力吧，就像汽车得有油才能跑，四足机器人也得有能量呀。
有了足够的能量，它才能活力满满地到处溜达。
你说这四足机器人是不是特别牛？那它能用来干啥呢？这用处可多啦！可以去一些危险的地方探险呀，咱人不好去的地方，它可以大摇大摆地进去。
还可以帮咱干些重活呢，搬个东西啥的，多省力呀！想象一下，未来要是到处都是四足机器人，那该是怎样一番景象呀？是不是感觉特别酷？它们就像一群勤劳的小助手，在我们身边忙前忙后。
而且呀，随着技术的不断进步，四足机器人肯定会变得越来越厉害。
说不定以后还能跟咱聊天呢，那得多有意思呀！反正我是觉得四足机器人真的太神奇啦，它的原理虽然复杂，但是一旦了解了，就会觉得特别有意思。
这就是科技的魅力呀，能创造出这么厉害的东西。
大家也都快来了解了解四足机器人原理吧，相信你们也会被它吸引的！原创不易，请尊重原创，谢谢!。
四足机器人运动及稳定控制关键技术综述
四足机器人运动及稳定控制关键技术综述目录一、内容概览 (2)1. 四足机器人概述 (3)2. 研究背景与意义 (4)3. 研究现状和发展趋势 (5)二、四足机器人运动原理及结构 (7)1. 四足机器人运动原理 (8)1.1 动力学模型建立 (9)1.2 运动规划与控制策略 (10)2. 四足机器人结构组成 (11)2.1 主体结构 (13)2.2 关节与驱动系统 (14)2.3 感知与控制系统 (17)三、四足机器人运动控制关键技术 (19)1. 运动规划算法研究 (20)1.1 基于模型预测控制的运动规划算法 (21)1.2 基于优化算法的运动规划策略 (22)2. 稳定性控制策略研究 (23)2.1 静态稳定性控制策略 (25)2.2 动态稳定性控制策略 (26)3. 路径规划与轨迹跟踪控制技术研究 (27)3.1 路径规划算法研究 (28)3.2 轨迹跟踪控制策略设计 (29)四、四足机器人稳定控制实现方法 (31)1. 基于传感器反馈的稳定控制方法 (32)1.1 传感器类型与布局设计 (34)1.2 传感器数据采集与处理技术研究 (35)2. 基于优化算法的稳定控制方法应用探讨 (37)一、内容概览四足机器人运动机制：阐述四足机器人的基本运动模式，包括行走、奔跑、跳跃等，以及不同运动模式之间的转换机制。
稳定性分析：探讨四足机器人在运动过程中的稳定性问题，包括静态稳定性和动态稳定性，以及影响稳定性的因素。
运动控制关键技术：详细介绍四足机器人运动控制的关键技术，包括运动规划、轨迹跟踪、力控制等，以及这些技术在实现机器人稳定运动中的应用。
传感器与感知技术：介绍四足机器人运动及稳定控制中涉及的传感器与感知技术，包括惯性测量单元（IMU）、激光雷达、视觉传感器等，以及这些技术在机器人运动控制中的作用。
控制算法与策略：探讨四足机器人运动及稳定控制中常用的控制算法与策略，包括基于模型的控制、智能控制方法等，以及这些算法在实际应用中的效果。
四足机器人步态及运动控制
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 。
四足仿生机器人毕业设计
四足仿生机器人毕业设计四足仿生机器人毕业设计1.引言仿生机器人是一种模仿生物特征和行为的机器人系统，具有广泛的应用潜力。
四足仿生机器人是仿生机器人领域的一个重要分支，模仿动物四肢的运动和行为。
在毕业设计中，设计和构建一个四足仿生机器人是一个具有挑战性和有趣的任务。
2.背景介绍四足仿生机器人的发展可以追溯到50多年前。
随着传感器技术、材料科学和机械设计的进步，四足仿生机器人的功能和性能不断提高。
它们被广泛用于军事、探索、救援和娱乐等领域。
3.设计目标与需求在设计四足仿生机器人的过程中，需要明确的设计目标和需求。
设计目标可以包括机器人的行走稳定性、速度和灵活性等。
需求可以根据最终应用来确定，例如室内移动、户外探索或者危险环境救援等。
4.机械设计与材料选择在机械设计方面，需要考虑机器人的结构和关节设计，以实现生物四肢的运动。
材料选择也是一个关键因素，因为材料的轻便性、强度和耐用性会直接影响机器人的性能和寿命。
5.传感器与控制系统传感器是四足仿生机器人的重要组成部分，它们用于感知环境、检测位置和姿态等信息。
控制系统则负责处理传感器数据并控制机器人的运动。
在设计中，需要选择适合的传感器和控制算法来实现所需的功能。
6.动力系统动力系统是四足仿生机器人的动力源，它可以采用电池、液压或空气动力等各种方式。
在选择动力系统时，需要考虑机器人的功耗和工作时间等因素。
7.算法与控制算法与控制是实现机器人运动和行为的核心部分。
在设计中，需要开发适应四足仿生机器人的算法，包括运动规划、姿态控制和避障等。
8.实现与测试在完成机器人的设计和制造后，接下来需要进行实现和测试。
可以通过模拟仿真和物理实验来验证机器人的性能和功能。
9.分析与改进针对实现和测试过程中出现的问题，需要进行分析和改进。
可以通过数据分析和性能评估来优化机器人的设计和算法。
10.应用与展望四足仿生机器人在军事、探索、救援和娱乐等领域有着广泛的应用前景。
随着技术的不断进步，可以预见它们在未来将开展更加复杂和精细化的任务。
四足机器人创新点作用发展前景缺点
人机协作：随着人机交互技术的发展 ，四足机器人将会更加自然和便捷地 与人类进行协作，提高工作效率和安 全性
普及化：随着技术的不断成熟和成本 的降低，四足机器人也将会越来越普 及，成为未来智能生活的重要组成部 分
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四足机器人的缺点
虽然四足机器人在很多方面都具有明显的优势和应用前景，但也存在一些缺点和挑战
智能化程度不足：目前四足机器人的 智能化程度还有很大的提升空间，需 要加强人工智能、感知等技术的研究 和应用
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感谢各位观看
四足机器人的设计灵感来源于生物的四肢结构，这种结构使得
四足机器人在行走、跑动、跳跃等运动中都能够保持稳定。通
过仿生学的原理，四足机器人能够更好地适应各种复杂的环境 和高地度形自治 四足机器人能够实现高度自主的运动控制，使其可以在无人干
预的情况下自主完成任务，这为未来机器人在复杂环境中的应
用提供了可能 可扩展性
提高工作效率：在物流运输、农业等领域，四足机器人可以高效地完成货物的 搬运和农作物的收割等任务，提高生产效率
服务领域：在服务行业中，四足机器人也可以作为智能化的服务机器人，提供 导购、陪伴等服务
科研领域：在科研领域中，四足机器人可以用于模拟生物的运动和行为，为生 物科学研究提供帮助
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四足机器人的发展前景
随着人工智能和机器人技术的不断发展，四足机器人的应用前景也越来越广泛。未来，四 足机器人将会在以下几个方面得到更深入的发展
智能化：随着人工智能技术的不断发 展，四足机器人的智能化程度将会越 来越高，能够更好地适应各种复杂环 境和任务
多样化：随着应用需求的不断增加 ，四足机器人的种类和功能也将会 越来越多样化，满足不同领域的需 求
四足仿生机器人详解PPT课件
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混合驱C动HE器NLI
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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：
操Dog
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。
混合驱动器 蛤蛎壳材料
气动驱动器 电机
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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。
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3、BigDog
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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。
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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。
四足机器人原理动态演示
四足机器人原理动态演示四足机器人是一种仿生机器人，模仿动物的四肢结构和行走方式，具备较强的平衡和移动能力。
它的原理和动态演示将在本文中进行详细阐述。
一、四足机器人的结构四足机器人的结构一般包括机械结构、动力系统、传感系统和控制系统四个部分。
1. 机械结构：四足机器人的机械结构是模仿动物的四肢结构设计的。
通常包括主体结构、四条腿和关节等。
主体结构承载着机器人的各个组件，确保整体的稳定性和强度。
四条腿具备关节和连接杆，使得机器人能够实现各种复杂的行走和运动。
2. 动力系统：四足机器人的动力系统主要由电机和驱动装置组成。
电机负责提供机器人的动力源，而驱动装置则将电机生成的动力转化为机器人四条腿的运动。
通常采用的驱动方式有液压驱动和电机驱动等。
3. 传感系统：四足机器人的传感系统能够获取外界环境的信息，以便机器人做出相应的反应。
传感系统一般包括摄像头、激光雷达、惯性测量单元等各种传感器。
摄像头用于感知周围环境的图像信息，激光雷达主要用于测量距离和障碍物检测，惯性测量单元则用于测量机器人的姿态和加速度等。
4. 控制系统：四足机器人的控制系统负责整个系统的控制和决策。
它接收传感器的信号并做出相应的反应，以实现机器人的平衡和移动。
常用的控制算法包括PID控制、模糊控制和神经网络控制等。
二、四足机器人的行走原理四足机器人的行走方式主要分为步态行走和平衡行走两种。
1. 步态行走：步态行走是四足机器人最常见的行走方式，模仿了动物的行走方式，如狗、猫等。
步态行走可以分为三种类型：三角步态、波浪步态和半步态。
步态行走中，机器人的四条腿通过协调运动，实现平衡和稳定的行走。
2. 平衡行走：平衡行走是四足机器人实现平稳移动的一种方式。
在平衡行走中，机器人通过调节身体的重心和姿态来保持稳定，采用类似人类行走的方式进行前进。
通过动力和传感系统的协调工作，机器人能够实现前进、转弯和改变速度等动态行为。
三、四足机器人的动态演示为了更直观地展示四足机器人的原理，我们进行以下动态演示。
四足机器人毕业设计
四足机器人毕业设计四足机器人毕业设计毕业设计是每个大学生学习生涯中的重要一环，它不仅是对所学知识的综合运用，更是对学生综合素质的考验。
在我即将毕业的大四年级，我选择了一个独特而有挑战性的课题——四足机器人。
四足机器人，顾名思义，是一种能够像动物一样使用四条腿行走的机器人。
它的设计灵感来源于大自然中的动物，如狗、猫等。
通过模仿动物的行走方式，四足机器人能够在复杂的环境中灵活移动，具备更好的平衡性和适应性。
我的毕业设计旨在设计和制造一台能够模仿狗的行走方式的四足机器人。
首先，我需要对狗的行走方式进行深入研究。
通过观察和分析，我发现狗的行走过程是通过前后左右四条腿的协同运动实现的。
这种协同运动使得狗能够在不同地形上行走，并保持平衡。
基于这一发现，我开始设计四足机器人的机械结构。
我选择了轻量化的材料，以确保机器人的机动性和灵活性。
同时，我采用了一种特殊的机械结构，使得机器人能够像狗一样前后左右移动。
为了实现这一目标，我使用了多个电机和传感器，通过精确的控制，使得机器人的四条腿能够协同工作。
接下来，我开始着手设计四足机器人的控制系统。
控制系统是整个机器人的大脑，它负责接收传感器的数据，并根据需要做出相应的动作。
在设计控制系统时，我选择了一种先进的算法，能够根据传感器数据实时调整机器人的动作。
这样，机器人就能够根据外部环境的变化做出相应的反应，保持平衡并完成指定的任务。
随着设计的完成，我开始进行实验和测试。
我利用不同的地形和环境条件对机器人进行测试，以验证其性能和稳定性。
通过不断的调整和改进，我最终成功地制造出一台能够模仿狗的行走方式的四足机器人。
在整个毕业设计的过程中，我不仅学到了很多关于机器人设计和控制的知识，更重要的是培养了创新思维和解决问题的能力。
通过不断地尝试和实践，我不断克服困难，最终取得了成功。
四足机器人毕业设计不仅仅是一个学术项目，更是对我的职业生涯的启蒙。
在未来的工作中，我将继续深入研究机器人技术，并将其应用于实际工程中，为人类社会的发展做出自己的贡献。
四足机器人综述课件
四足机器人是目前比较普遍的一种机器人。 长期从事足式机器人研究的日本东京工业 大学的広濑茂男等学者认为：从稳定性和 控制难易程度及制造成本等方面综合考虑， 四足机是最佳的足式机器人形式，四足机 器人的研究深具社会意义和实用价值。
常规四足式 四足混合结构式
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常规四足式
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现代四足爬行机器人研究比较系统和研究成果取得较多的是日本 东京工业大学的广濑.福田实验室，该实验室从八十年代开始了四足 机器人相关内容的研究工作，三十多年来共研制出了十几款四足爬行 机器人，应用于许多不同的领域。
第一代四足移动机器人KUMO-I外形似长腿蜘蛛，它是世界上 第一个具有自主行走的现代足式机器人。
Patrush-II 四足机器人
Tekken IV 四足机器人
最具有代表性的四足机器人是美国卡耐基美隆大学的 Boston dynamics 实验室研制的BigDog和 LittleDog
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最近Boston dynamics 实验室又正在研发wildcat机器人， 其时速度将可能达到50英里
意大利IIT 大学研制的HyQ 机器人，有一米高，重约 90kg，12个自由度，由液压和电机混合控制。
中科大的HyTRo-I机器人结合了轮式的快速移动性和腿式 的运动灵活性。此款机器人可实现腿式，轮式和混合式三种 运动模式。
重庆大学的Rolling-wolf机器人是一种结构简单、承载 能力强、越障性能好的新型轮腿式机器人。该机器人采用 滚珠丝杠驱动轮腿运动,有效改善了以往轮腿式机器人的 力学性能,提高了系统的承载能力以及轮腿机构的稳定性。
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四足混合结构式
混合结构式机器人可在复杂地形条件下以多种行进步态和多种运动 方式完成特殊的机动任务。近些年来其研究得到国内外广泛的关注。
浅析BigDog四足机器人
浅析B i g D o g 四足机器人丁良宏 王润孝 冯华山 李 军西北工业大学,西安,710072摘要:根据B i g D o g 四足机器人目前已经公开的技术资料,对B i g D o g 机器人的整体概况和主要核心技术点进行了分析㊂机械系统重点分析了B i g D o g 的结构特性和运动特性,以及由此产生的高功率密度问题;通过剖析B i g D o g 液压驱动系统基本构成,发现结构仿生的缺陷限制了B i g D o g 机动性能的进一步提升㊂研究表明,复杂地形条件下B i g D o g 的运动控制首先取决于姿态的检测和地形的感知,姿态安全是B i g D o g 实现持续纵向运动的前提条件㊂基本行走控制算法研究表明,液压系统的输出特性,能良好地满足B i g D o g 的动力需求;通过几种典型的运动状态分析,对B i g D o g 的控制实现过程进行了诠释㊂因非结构化环境移动机器人的智能性主要取决于导航系统的设计,故重点分析了B i g D o g 的导航系统,特别是全自主导航部分㊂最后结合课题组四足机器人的研究经历,对四足机器人的研发提出了一些建议㊂关键词:B i g D o g 四足机器人;液压执行器;仿生学;运动控制;导航;L i t t l e D o g 中图分类号:T P 242.6 D O I :10.3969/j.i s s n .1004-132X.2012.05.001B r i e fA n a l y s i s o f aB i g D o gQ u a d r u p e dR o b o t D i n g L i a n g h o n g W a n g R u n x i a o F e n g Hu a s h a n L i J u n N o r t h w e s t e r nP o l y t e c h n i c a lU n i v e r s i t y,X i ’a n ,710072A b s t r a c t :B a s e do n t h e c u r r e n t t e c h n i c a l i n f o r m a t i o no f aB i g D o gq u a d r u p e d r o b o tw h i c hw a s r e -l e a s e d ,t h e o v e r a l l p r o f i l e a n d t h e c o r e t e c h n o l o g y o f t h e B i g D o g r o b o tw e r e a n a l y z e d h e r e i n .S t r u c t u r -a l c h a r a c t e r i s t i c s ,m o t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dh i g h p o w e rd e n s i t y i s s u e sa r i s i n g f r o mt h e s ew e r ea n a -l y z e d e m p h a t i c a l l y i n t h em e c h a n i c a l s y s t e m.T h eb a s i c c o m p o n e n t so f t h eB i g D o g ’sh y d r a u l i cd r i v e s y s t e m w e r e a n a l y z e d b r i e f l y .B i o m i m e t i c s t r u c t u r e d e f e c t s r e s t r i c t e d t h e B i g D o g ’sm a n e u v e r a b i l i t yt o f u r t h e r p r o m o t i o n .I n r o u g h t e r r a i n ,t h em o t i o n c o n t r o l o f B i g D o g f i r s t l y d e pe n d s o n t h e d e t e c t i o nof b o d yp o s t u r e a n d p e r c e p t i o no f t h e t e r r a i n .S e c u r i t yp o s t u r e i s t h e p r e r e q u i s i t e f o rBg D o g ’s c o n t i n u -o u s l o n g i t u d i n a lm o t i o n .T h eb a s i cw a l k i n g c o n t r o l a l g o r i t h m w a s a n a l y z e db r i e f l y .T h e o u t p u t c h a r -a c t e r i s t i c s o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m j u s tm e e t B i g D o g ’s d y n a m i c r e q u i r e m e n t s .C o n t r o l i m pl e m e n t a t i o n p r o c e s sw a sk n o w nb y a n a l y z i n g s e v e r a l t y p i c a l s t a t e so fm o t i o n .N a v i g a t i o ns y s t e m o fB i g D o g,i n p a r t i c u l a r f u l l y a u t o n o m o u s n a v i g a t i o n p a r t i s t h e e m p h a s i s .I nu n s t r u c t u r e d e n v i r o n m e n t s ,t h e i n t e l -l i g e n c eo fm o b i l e r o b o tm a i n l y d e p e n d s o n t h e d e s i g n o f n a v i g a t i o n s ys t e m.A t l a s t ,b a s e d o n a u t h o r ’s r e s e a r c he x p e r i e n c eo n q u a d r u p e dr o b o t ,s o m es u g g e s t i o n so f t h er e s e a r c ha n dd e v e l o pm e n to nt h e q u a d r u p e d r o b o tw e r e p r o po s e d .K e y w o r d s :B i g D o gq u a d r u p e dr o b o t ;h y d r a u l i ca c t u a t o r ;b i o n i c s ;l o c o m o t i o nc o n t r o l ;n a v i g a -t i o n ;L i t t l e D o g 收稿日期:2011 03 28基金项目:国防基础科研项目(A 2720060275)0 引言2005年秋天美国波士顿动力公司(B o s t o nD yn a m i c s )首次公开其历经十余载所研制的仿生四足机器人B i g D o g,在互连网上引起了全球公众的关注和热议[1‐6]㊂B i g D o g 是由美国国防部高级研究计划署(D A R P A )提供资金资助,波士顿动力公司承担研制的仿生四足机器人样机,它是仿照人类生活中常见的四足哺乳动物狗的结构,利用现代科技方法制造成的一种机械狗㊂从B i g -D o g 的相关视频中可以看到,它具有较高的运动速度㊁较大的负载能力和超强的机动性能㊂即便在复杂的非结构化环境中,仍然能够保持自如的行进状态,令人叹为观止㊂在B i g D o g 初始样机实现之后,美国海军陆战队和陆军又追加了更多的资金用于进一步的研发,把B i g D o g 列为未来战场的装备之一,预计将来可能会出现在实战中㊂B i g D o g 机器人最引人注目的就是它出众的运动能力,多步态行走㊁小跑㊁跳跃1m 宽的模拟壕沟㊁爬越35°的斜坡,能适应山地㊁丛林㊁海滩㊁沼泽㊁冰面㊁雪地等复杂危险的地形㊂目前最大运㊃505㊃浅析B i g D o g 四足机器人丁良宏 王润孝 冯华山等动速度为10k m/h,预期可达18k m/h,完全能够满足步兵分队徒步急行军的速度要求㊂B i g D o g 的另一显著优势,是能够承载较大的负荷,标准载荷50k g,而且不降低运动性能㊂B i g D o g还有一个更为专业的名字 机械骡(m e c h a n i c a l m u l e),意指机器人运输装备骡马化㊂用于战地环境随同步兵前行,并携带各种后勤补给,这也是美国军方当前对B i g D o g的设计使用要求㊂B i g D o g是目前陆地移动机器人领域中为数不多的初具功能化的实用机器人㊂除了基本的运动能力之外,各种辅助功能也在逐步完善之中㊂同时,进一步提升主要性能指标和拓展应用范围的科研工作也在进行中㊂在B i g D o g问世之后的5年中,其研发团队先后公开发表4篇学术论文,发布了大量的图片和网络视频,使更多的人了解了B i g D o g机器人,同时这些资料也成为机器人领域其他科研人员分析B i g D o g的主要信息来源㊂B i g D o g四足机器人为什么能表现出如此出众的运动能力,是所有从事机器人研究的人员都十分关注的问题㊂在已公开的B i g D o g的技术资料中,哪些技术点是最为关键的?是形成运动能力最为核心的研究内容?本文结合本课题组四足机器人的研究经历,再通过细致地分析B i g D o g的相关技术资料,尝试从专业的角度来解答这些问题㊂1 结构和液压系统B i g D o g四足机器人示意图见图1㊂图1 B i g D o g四足机器人B i g D o g运动能力出众,关键是选择液压执行器作为关节驱动元件,并从根本上改进了传统液压系统所存在的若干缺陷,再把液压执行器与四足机构合理巧妙地整合在一起,形成了B i g D o g 既强壮有力又不乏灵活柔韧的完美机体㊂1.1 结构和运动特性B i g D o g共计有20个自由度,其中主动驱动自由度为16个,是主要的力和扭矩输出装置;4个足底自由度是完全被动的,可以提高腿部对地形的适应性㊂所以,总输出功率12.5k W的发动机主要是向16个液压执行器输出功率㊂具体到每条腿及髋部,包括髋部横向(侧滑)㊁纵向(前进) 2个自由度,膝关节纵向自由度,踝关节纵向自由度㊂B i g D o g的髋部和腿部是实现四足机器人运动的基本单元体(图2),每个单元体主要包括:髋部㊁大腿㊁小腿㊁踝肢体㊁足及4个液压执行器㊂髋部㊁大腿㊁小腿和踝肢体顺次利用3个横向铰接销串联构成腿部的基本框架,髋部利用1个机身纵向的铰接销与机身相连;这些销子在髋部和肢体图2 髋部和腿部体系结构运动时充当转轴,是B i g D o g实际上的转动关节㊂4个液压执行器输出端轴套机构分别与髋部㊁大腿㊁小腿㊁踝肢体的转动部件相连,执行器的固定端通过螺栓分别与机身㊁髋部㊁大腿㊁小腿连接㊂B i g D o g的大腿粗短,平衡位置接近水平,靠近机身;小腿和踝肢体较为细长,平衡位置位于机身投影面四角;髋部为细长条状物,内置于机身纵向首尾两侧㊂小腿的液压执行器以踝关节为轴,推拉踝肢体作旋转运动,借助转换轴把直线运动转换为旋转运动;大腿下侧液压执行器以膝关节为轴推拉小腿转动;大腿上侧执行器以髋部和大腿之间的铰接销为轴推拉大腿转动,固定端位于髋部下侧;机身首尾两端上方斜置的执行器以髋部机身铰接销为轴推拉髋部转动㊂其中,髋部的转动意味着腿部生成横向运动,腿部整体会绕机身转动,偏离机身纵向,形成侧滑㊂大腿上侧液压执行器为髋部纵向驱动器,由于活塞杆运动输出端远离转动关节,所以大腿运动摆幅最小,便于大扭矩输出㊂从构造原理上看,B i g D o g的髋部和各肢体工作装置与普通的挖掘机毫无二样,大腿如同动臂,髋部㊁小腿和踝肢体如同斗杆;主要的差别在于B i g D o g机构更加精致㊁布局更加紧凑㊂四足机器人在行走时不论每条腿有多少个自由度,都可以把它简化为只有一个自由度的直腿,㊃605㊃中国机械工程第23卷第5期2012年3月上半月图3 四自由度简化模型如图3所示㊂髋部纵向驱动器拉动这条直腿旋转,直腿支撑地面,以支撑点为圆心完成一个由后至前的单摆旋转运动㊂切向拉力为机器人的机身提供一个前进方向斜上方 水平 斜下方这样变化的力,重心在地面的反作用力下被撑过单摆的最高点,产生位移㊂这个拉力始终有水平方向的分力,借助地面的反作用力,实现机身的水平运动;还包括一个在重力方向变化的先升后降的分力,导致机身出现起伏的运动特性㊂直观上,四足机器人在行进过程中,重心始终处于颠簸起伏的状态㊂这个特性也是所有足类机器人明显区别于其他移动机器人的显著特性,比如轮式㊁履带等机器人只有在非结构化环境,地面崎岖不平时才能呈现上述特性,而四足机器人在任何可行走路面都呈现这个特性㊂四足机器人的重心在运动过程中周期性的起伏,意味着行走过程中要全程控制自身的重量,消耗机器人发动机大量的功率,对于纵向行走而言,这种消耗其实是无用功㊂实际上四足机器人消耗在这方面的无用功要超过用于水平行走的有用功㊂选择四足这种结构,是希望机器人在行进时可以抬腿越过不适合落足的位置,有选择地下脚,从而到达轮式或者履带式机器人无法行走的地域㊂因此,只要选择了这种结构,就必须面对重心起伏大的功率消耗问题㊂除B i g-D o g之外几乎所有的四足机器人在设计时都无法根本解决这个痼疾,即无法提供足够功率来保证除基本水平运动以外的巨大无用功消耗㊂B i g-D o g采用液压驱动这种强功率输出方式,从根本上解决了这一难题㊂B i g D o g在行进时为了提高运动速度,同时便于腿部支撑重心越过单摆旋转最高点,机身通常会略微前倾,这样同相位步态后腿需要伸长一些㊂前腿作为主要的支撑杆,后腿配合前腿支撑重心越过最高点,也防止了同时出现2个主支撑杆可能造成的内耗㊂前腿的落足点必须超过髋部纵向关节转轴的投影点,锁住膝㊁踝关节,由髋部纵向驱动器输出扭矩,拉动机身前进;后腿根据速度和地形的情况,落足点可以在转轴投影点的前方㊁正下方和后方,主要还是髋部纵向驱动器输出扭矩,当腿长需要增大时,膝㊁踝关节配合输出扭矩伸展关节,更多时候靠力锁住关节,保持姿势㊂这样看来,B i g D o g虽有16个驱动器,但在如对角步态行走时,驱动系统的功率主要集中在两条支撑腿的髋部纵向驱动器实施输出,后腿的膝㊁踝关节只有配合伸长腿部时才输出一定的扭矩,迈步腿只需要消耗少量的功率用于摆腿㊂那么随之而来的问题是,发动机能否在这一时段把全部或者可能最大的功率通过油压的传输输送到这2个驱动器㊂B i g D o g显然是具备这个油压分配输出能力的,它把功率输送到当前主要输出扭矩的驱动器,实现功率的合理分配㊂B i g D o g机载动力系统的高功率密度是很值得分析的,以下的数据对比可以深刻地反映出四足机器人的设计难度㊂B i g D o g目前最大运动速度可以达到10k m/h,并且发动机与机体处于分离状态,机体重量低于70k g㊂假设此时发动机按照12.5k W最大功率的2/3输出,可知当前的功率密度高达119k W/t㊂同为陆地移动装置的第三代主战坦克M1A2的功率密度只需要17.5k W/t,而公路最大运动速度可超过70k m/h㊂把这两种移动装置各自极限速度状态进行比对,可知B i g D o g的运动效率只有M1A2履带式坦克的1/48㊂从传统移动装置的设计来看,足类这种效率过低的运动执行机构基本不被考虑,这也是四足机器人发展缓慢的一个重要原因㊂因此,纯机械制造的四足机器人若想获得一个较快的速度和良好的机动性能,大幅度提高发动机的功率密度是一个首要的先决条件㊂从动力学角度看,B i g D o g的持续纵向运动意味着大功率的不断输出,髋部纵向是主要的功率输出装置;机身调整姿态时,多数在原地或者小范围空间移动,机体消耗的功率降低,主要靠各个关节力输出来支撑机体㊂当B i g D o g遭遇测滑或复杂路面时,髋部横向驱动器及膝关节和踝关节驱动器就要发挥它的作用㊂这3个部位的关节主要是帮助机器人调整机身姿态,通过多冗余自由度的变化提高机器人适应复杂路面的能力,或者遭遇险情时协助髋部纵向驱动共同实现功率输出,从而移动机身㊂这3个部位在运动时,关节的转角比较大,相应形成的肢体运动幅度也较大,有利于机器人适应崎岖不平的地面㊂所以,B i g D o g的16个液压执行器有比较明确的分工㊂髋部纵向主要负责扭矩的输出,摆幅通常较小,剧烈运动时也可实现较大的摆幅,是核心驱动器;髋部横向主㊃705㊃浅析B i g D o g四足机器人 丁良宏 王润孝 冯华山等要是协助调整机身姿态,只有在侧滑的情况下,输出大扭矩,摆动幅度比较大,多数时间处于平衡位置;小腿和踝肢体主要负责调整机身姿态,同时因其细长且摆幅大,是机器人纵向迈步和增大步幅的主要实现机构,采用力输出的方式控制,遭遇复杂地形时也会输出扭矩协助髋部纵向驱动器㊂1.2 液压系统在B i g D o g推出之前,其实已有许多研究人员想到了利用液压驱动器实现对四足的关节驱动㊂这是因为,传统的电机驱动无法满足四足机器人快速运动的设计要求㊂原因有以下几点:①电机的功率相对不足,按照B i g D o g的尺寸结构,最多可以选择200~400W的电机,与B i g D o g 液压平均每个驱动器可达800W相比仍显很低,且无法实现总功率的变化分配输出;②电机的工作状态不理想,电机通常只有转速达到一定值才能实现额定功率输出,而足类机器人关节摆幅通常只有30°~50°,因而电机始终处于低速㊁小转角㊁往复加减速的工作状态,低功率输出且自身内耗太大;③电机的附带装置太多,既占空间又增加重量,增大了机身的设计难度;④需要拖电缆或者背负电池,不利于野外环境的自由行走㊂电机曾被大量用于足类机器人的驱动,但都远远达不到B i g D o g的运动状态㊂传统的液压系统也存在若干痼疾,在四足机器人这样的移动装置中使用至少有两点显得尤为突出:①漏油或者密封问题;②冲击载荷导致的漏油问题进一步加剧,同时机械部分的形变会影响活塞杆直线往复运动的精度㊂四足机器人在运动的过程中,作为一个主要靠机械打造的刚性体,与地面因为撞击而产生可观的冲击载荷,而且载荷的大小和方向都始终呈现无规律的变化,这种工作状态对于传统液压系统而言是完全不能容忍的㊂B i g D o g恰恰克服了这一点,波士顿动力公司所设计和制造的这套液压驱动系统,应该是B i g-D o g机器人前期研究最大的技术突破点㊂从策略上讲,就是单纯机器人设计无法解决的问题,要回到最基础的研究领域,从基本的液压系统的改进方面下手,进而再把它应用到机器人的驱动实现过程中㊂B i g D o g的液压驱动系统是由一个变量活塞泵在汽油发动机的驱动下同时对16个液压执行器实施油压的输出,以达到功率输出的目的㊂这个环节关键的技术点在于如何实现快速并且变化的油压分配,从而实现力和扭矩的分配和输出,这也是B i g D o g的核心技术之一㊂液压传动有2个特性:液压系统的油压大小取决于外界负载,执行元件的速度取决于液压系统的流量㊂这2点恰好与四足机器人肢体的负载及关节的转动相对应㊂发动机根据机器人机体各关节所承载的负荷及转速,控制自身转速进而控制活塞泵的油压输出,适应机器人运动时变化的动力需求,并具有预测的能力㊂机器人的运动速度越快,或者机体姿态变化越剧烈,相应的油压输出就越大,反之亦然,这也是B i g D o g适应地形变化能力强的一个重要原因㊂B i g D o g的液压系统最大油压输出可达20.68M P a(3000P S I),属高压输出㊂主液压系统油路下接并联的16个子液压执行器,每个执行器的响应频率达到500H z,可以满足关节快速定位的要求㊂相较传统的液压装置,B i g D o g的液压执行器要小巧精致得多,满足了四足机器人驱动器个头小㊁力量大的设计要求㊂图4所示是一个基本的液压执行元件,执行器右端是一个轴套机构,活塞杆是直线往复运动,而机器人的肢体是旋转运动,所以运动需要转换㊂以铰接销为转轴,活塞杆推拉肢体,执行器所在肢体的框架充当铰杆,形成运动转换㊂活塞杆外侧另有2根辅助杆,同步往复运动,分担活塞杆承受的冲击载荷㊂轴套机构和关节转轴由于载荷大,易磨损,对材质的选择要求很高㊂液压执行器把主液压系统油路的油压引入到子系统中,根据所在关节的载荷需求,具有航天品质的2级电液伺服阀调整本单元的油压和流量输出,实现力和扭矩的变化输出,并可双向输出㊂图4 液压执行器B i g D o g机器人的运动效率主要取决于3个方面:运动方式造成的内耗㊁机械结构的传动效率和控制造成的内耗㊂运动方式的内耗包括重心的起伏㊁腿部相对机身的摆动等㊂机械部分主要包括16个主动关节和液压执行器内部及输出端运动转换机构㊂液压执行器采用低摩擦的液压动力密封器件提高缸体的传动效率;其余两部分取决于机械结构的加工和装配精度,以及轴㊁销㊁轴承等元件的材质和加工精度㊂此外,髋部和腿部的基本框架对加工的一致性要求也很高,最大程度降低了机体尺寸误差对运动造成的影响㊂1.3 结构仿生学机器人学是仿生学研究的一个主要分支㊂四㊃805㊃中国机械工程第23卷第5期2012年3月上半月足机器人的3个基本系统 结构㊁运动控制和导航,无一例外都与动物(人)仿生学的研究有着密切的关系㊂B i g D o g的前期研究工作主要集中在结构(驱动)的设计和运动的控制上,这也是实现机器人基本运动能力的2个主要方面㊂波士顿动力公司在哈佛大学仿生研究成果基础之上,把液压驱动与四足机器人的结构比较理想地整合在一起,也就造就了目前的B i g D o g四足机器人㊂B i g D o g除了有较强的刚性以外,为了减少冲击载荷对整个机身的影响,必须增加减震系统,提高机器人的柔韧性,因此,B i g D o g踝关节以下部分安装了弹簧减震系统㊂四足动物本身的肌体结构是非常复杂的,除了骨骼㊁肌肉之外,还有韧带㊁肌腱㊁跟腱等增加柔韧性和灵活性的器官㊂这些功能器官目前还无法在机器人身上真正意义地实现,即使关节部位往往也很难模仿,如动物和人的髋关节为多轴性关节,B i g D o g采用常规技术无法实现,只能把髋关节的横向和纵向自由度分开实现㊂所以,人类只能尽量地模仿四足动物的肌体构造,实现四足机器人的运动功能㊂1.4 小结B i g D o g的机械结构设计和驱动的选择,是实现运动的基本平台㊂只有先解决了这2个问题,后续的运动控制和导航的研究才能更有针对性,并且通过样机展现出来㊂2 运动控制B i g D o g的运动控制取决于其特殊的机体构造㊂控制系统同时对16个液压执行器进行控制,多自由度耦合联动造成了肢体的千变万化,形成了机器人的各种动作姿势㊂这也是四足机器人对地形适应能力强的根本原因㊂但是,多冗余度变换复杂,增大了控制的难度㊂同时,四足的支撑结构不稳定,重心位置偏高,易发生偏移,运动控制相比轮式㊁履带式机器人,要困难得多㊂四足机器人在运动过程中既要保证能够快速行进,同时还要控制重心的位置,保持机身的相对平稳㊂B i g D o g运动控制的核心问题就是控制机体的平衡,建立机体与地形之间静态或动态的平衡系统,机器人的站立㊁行走㊁小跑以及各种运动状态间的相互转换,都必须保持平衡㊂建立四足机器人的运动平衡主要考虑3个方面的因素,即自身姿态㊁地形状况和运动状况㊂B i g D o g的运动控制包括姿态感知㊁地形感知和运动生成㊂前2步是在运动中寻找机体与地面之间的平衡状态,第3步是通过控制实现这个平衡㊂2.1 姿态和地形的感知姿态和地形的感知主要是借助各种传感器来完成,B i g D o g总共携带至少70个各类传感器单元,大多数用来检测自身姿态和内部各机构组成的状态参数㊂四足机器人的多冗余度必须依靠大量的传感器来感知机身和肢体部分参数的变化,以此为依据作为运动控制的基本条件㊂姿态感知包括机身和肢体两部分的状态检测㊂I MU负责检测机身3个角度的变化和3个线加速度的变化,是机身状态检测的主要手段㊂16个主动自由度的角度变化由关节编码器来完成㊂各个关节的负载由测压元件来检测㊂地形感知主要包括踝肢体测压元件配合各个关节编码器感知,以及立体视觉装置感知㊂目前主要是通过力大小的变化再配合关节转动的角度来感应地形的变化㊂该方法是被动式,足底先接触地面再判断地形,对于简单的地形可以应对,但是对于复杂地面,需要避开某些深坑,选择落足点时,未来主要靠立体视觉㊂此外,发动机和液压系统的检测也是运动控制必须考虑的㊂发动机转速和载荷要在预测和实际输出之间不断调整㊂液压系统的检测包括油温㊁油压和流量的检测等㊂2.2 控制实施B i g D o g作为移动机器人,纵向的持续行走㊁跑等功能是研究追求的目标,由于地形的影响,机身的姿态需要经常调整,才能确保纵向运动的平稳性和连贯性㊂故B i g D o g的控制研究也主要围绕这两方面展开㊂2.2.1 行走控制和步态调整算法B i g D o g的基本行走控制采用图5所示的流程实现㊂控制系统以髋部和腿部的单元体为单位,通过虚拟环境计算求出每条腿所承受的载荷和关节需要输出的扭矩,检测运动效果并反馈回虚拟部分,更新频率为200H z㊂首先,根据期望的行进速度,规划腿部运动到落足点过程的轨迹;其图5 基本行走控制框图㊃905㊃浅析B i g D o g四足机器人 丁良宏 王润孝 冯华山等次,在虚拟环境下,利用腿部当前的关节转角和转速作为正向运动学参数,与期望的规划进行比对, P D伺服不断修正腿部各关节应输出的力,得到虚拟的腿部状态模型;最后,把虚拟求得的各个关节所需的扭矩指令发送至驱动系统,实现行走,并检测关节转角和转速㊂此外,虚拟过程通过状态机获得腿部状态,步态调整算法协调4条腿的位置,对步态进行修正,再把反馈信息发送回轨迹生成单元㊂同时步态调整算法负责腿之间的通讯,腿的初始状态转换为不同的稳定的四足行走步态,如对角㊁同侧和奔跑等㊂临近腿运动时避免运动区域重合,防止腿部发生碰撞,也包括摆动腿与支撑腿之间发生碰撞㊂步态调整算法还要降低机体运动的内耗程度,当迈步腿落地之后,支撑腿要及时离地,防止同时发力而形成类似于人腿劈叉这种不利于连续行走的动作㊂B i g D o g持续的纵向运动都是借助以上控制方法实现的㊂B i g D o g在平整地面直线运动时,可实现对角步态的跑动,速度在短时间内由零加速到8k m/h㊂整个过程加速均匀,机身纵向和水平都保持平稳,腿部动作协调连贯;在速度达到最大时,后腿伸长协助前腿支撑身体的动作非常明显㊂行走或慢跑时,为了减少重心起伏无用功的消耗,可以减小步幅加快频率,使机身的重心尽可能在支撑摆的最高点附近的高度运动㊂但是随着速度的提升,腿的步幅需要加大,重心起伏加剧;腿的摆动频率加大,摆腿消耗的功率增加;机械部分传动的消耗也增大㊂这几点不利的因素都限制了B i g D o g的速度进一步提升㊂按照传统的足类机器人设计思路,B i g D o g除了运动学模型之外应该还有一个动力学模型,但是在相关论文中并未出现㊂结合B i g D o g液压驱动系统以及电机的控制方法,对B i g D o g在动力学方面作如下的推断㊂充分利用液压传动的特性,把动力学的分析和计算转移到液压系统的控制中完成㊂液压系统的力和扭矩输出主要取决于终端执行器的负载,根据负载的大小和变化,调整发动机的转速,实现对液压总路油压的控制,再通过电液伺服阀控制进入单个执行器的油压㊁流量和流速等参数,实现根据负载的变化对应输出与之平衡的力和扭矩,还包括加速和减速的情况㊂利用电机控制四足机器人,需要预测下一时段各个关节的负载,设定电机的输出,但这个输出无法达到液压快速实现与负载平衡的输出效果㊂电机的输出或大于终端的负载,或小于终端的负载,只在少数情况下两者刚好平衡㊂这就是常见电机驱动足类机器人在行走时,机身多数会出现晃动的原因,即受力不平衡㊂而B i g D o g在运动过程中,除非遭受突然的外力作用,大多数情况下都能处于动态的平衡中,关键还是它的液压系统的适应能力发挥了决定性的作用㊂当B i g D o g加速时,输出的扭矩需要大于当前的负载,这是利用了伺服阀的控制流速的功能㊂当某个执行器所在肢体载荷突然增大,也可利用伺服阀的增压功能,实现在执行器中油压大于总路油压的性能㊂因此,传统的动力学模型对于B i g D o g而言,大部分的工作是由液压系统的控制来完成的㊂2.2.2 姿态算法B i g D o g控制机身姿态主要是借助力的输出控制腿部肢体的姿势,使机体与地形之间保持平衡状态㊂主要包括两方面:一是各条腿的载荷尽可能均匀,把机身的重量平均分配到4条腿;二是机身的高度和姿势需要调整,重心尽可能位于机身投影面的几何中心,这个过程仍然需要腿部的运动来实现㊂具体地讲,姿态算法调整地面反作用力在腿部各肢节的分布,使各条腿所承受的竖直方向的载荷尽可能相等,并指向髋部,降低各个髋部的载荷,每个髋部驱动输出尽可能均匀㊂这样可以防止载荷集中于某条腿或某一关节,造成机身运动时失去平衡㊂当地形发生明显变化时,机身的高度和姿势就需要重新调整,防止重心向机身边缘倾斜,造成机身纵向或横向的倾翻,这个过程需要借助地形感知共同实现㊂利用测压元件和关节编码器来判断足底是否与地面接触,再结合关节角度的连续变化值,可以估测地形的崎岖程度㊂借助预测信息,姿态算法控制腿与崎岖的地面逐渐适应㊂姿态控制算法通过改变机身偏航㊁俯仰㊁横滚㊁高度等参数,使机器人适应地形的变化,协调一致㊂这样即使不借助视觉等高级传感器,只利用测压元件和关节编码器这样简单的传感器,也可以使B i g D o g具备较强的适应复杂路面的能力㊂处于斜坡行走时,注意调整机身高度和姿势,适应坡度的变化;上坡时机身前倾,下坡时机身后倾,斜坡等高线行走时机身内侧倾斜㊂足底打滑时,意味着支撑腿与地面的反作用力突然降低,这时如果支撑腿的髋部驱动器仍然保持原有的扭矩输出状态,会造成机身失控,加剧机身倾斜程度㊂B i g D o g采用牵引控制(t r a c t i o n c o n t r o l)系统,利用测压元件及时发现支撑腿的受力变化,迅速降低髋部扭矩输出,调整小腿和踝肢体的摆动,进入姿态调整过程,恢复平稳状态㊂此外,陡峭地形和崎岖程度高的地形,也要利用测压㊃015㊃中国机械工程第23卷第5期2012年3月上半月。
四足机器人
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]。
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大学
专业实践课题：四足追光机器人
姓名：
学院：机械工程学院
专业：机械设计制造及其自动化
班级：
学号：
指导教师:
四足追光机器人
一、实验目的
用“创意之星”机器人套件组装可以进行追光行走的四足机器人；
二、实验套件（创意之星）
1.机械结构：基本结构件、舵机动力关节、可转向轮子、机械爪等；
2.控制系统：控制卡、舵机、直流电机、各类传感器、电源等；
3.控制软件：NorthSTAR 图形化开发环境
三、实验步骤
1、确定其基本功能
基本功能：
a．在平地上通过步态设计，可以正常迈步行走。
同时头部传感器检测前方光源，便于及时调整运行动作，追光行走。
b．当左侧红外线传感器检测到光源强于右侧红外线传感器检测到的光源时，机器人运行步态会改变，控制机器人左转。
右侧的光源强于左侧的光源时用同样的原理控制机器人右转。
c．当两侧均检测到光源亮度相等时，调整步态，追光机器人会向前走。
直至检测不到光源停止，再控制向后退。
2、机构设计
整个巡视机器人由大致三个模块组成：
a.由8个舵机组成四足机器人的4条腿模块；
b.由2个舵机组成四足机器人尾部部分；
c.由2个红外接近传感器和1个舵机组成的感应模块。
3、机构的装配
整个四足避障机器人由1个控制板，1个舵机和两个红外接近传感器组成可转动头部，8个舵机组成主要的4条机械腿，由两个舵机构成尾部部分。
整个四足机器人共由11个舵机、两个红外接近传感器及“创意之星”机器人零部件组成。
安装可分为零件的安装，部件的组装以及最后的总装过程。
根据预先设计好的机器人结构方案，组装四条腿的部件、头部、尾部以及机器人主体部分，最后组装到一块，形成完整的整体结构。
4、连接电线
由于我们此次使用的是创意之星的标准套件，舵机接线、传感器模拟与数字端口的连接都及其方便简单。
5、设置各个舵机的限制参数
一方面保护所使用器件的性能，防止过载或错误操作而将其损坏；另一方面
也为我们进行各种复杂的调试做良好的准备，能够顺利的完成设计任务。
6、微调初始姿态
为了更好的进行预期动作，可以将机器人的舵机位置调整合适，由于之前已将舵机调整中位，所以这部调整较为简单，只需旋转舵机的舵盘的位置即可，即当机器人通电后，舵机自动调至中位，此时为机器人的初始姿态,之后的所有调试，都是基于这个初始姿态设计的。
7、绘制程序流程图
8、AVR Studio的程序书写与调试
在该编译环境下，图形化的编程界面极大的方便和提高的了我们编写一系列动作的程序，而且可以更直观的观测到所有输出与输入端口，很好的完成对机器人的控制。
下面是图形化的程序语言：
9、源程序如下：
#include "background.h"
int main(int argc, char * argv[]) {
int Diff = 0;
int Left = 0;
int Right = 0;
MFInit();
MFSetPortDirect(0x00000FFF); MFADEnable(0);
MFADEnable(1);
MFDigiInit(100);
DelayMS(100);
MFADInit(100); MFSetServoMode(1,0); MFSetServoMode(2,0); MFSetServoMode(3,0); MFSetServoMode(4,0); MFSetServoMode(5,0); MFSetServoMode(6,0); MFSetServoMode(7,0); MFSetServoMode(8,0); MFSetServoMode(9,0); MFSetServoMode(10,0);
//左侧
Left = MFGetAD(-1);
//右侧
Right = MFGetAD(-1);
Diff = Left - Right;
//左侧的值大于右侧
if (!Diff>50)
{
//左转
{
MFSetServoPos(1,512,512);
MFSetServoPos(2,512,512);
MFSetServoPos(3,512,512);
MFSetServoPos(4,512,512);
MFSetServoPos(5,512,512);
MFSetServoPos(6,512,512);
MFSetServoPos(7,512,512);
MFSetServoPos(8,512,512);
MFSetServoPos(9,405,512);
MFSetServoPos(10,512,512);
MFServoAction();
}
}
//左侧的值小于右侧
if (Diff<-50)
{
//右转
{
MFSetServoPos(1,512,512);
MFSetServoPos(2,512,512);
MFSetServoPos(3,512,512);
MFSetServoPos(4,512,512);
MFSetServoPos(5,512,512);
MFSetServoPos(6,512,512);
MFSetServoPos(7,512,512);
MFSetServoPos(8,512,512);
MFSetServoPos(9,654,512);
MFSetServoPos(10,512,512);
MFServoAction();
}
}
//左右两侧的值近似相等
if (!((Diff>=-50)&&(Diff<=50)))
{
{
MFSetServoPos(1,512,512);
MFSetServoPos(2,512,512);
MFSetServoPos(3,512,512);
MFSetServoPos(4,512,512);
MFSetServoPos(5,512,512);
MFSetServoPos(6,512,512);
MFSetServoPos(7,512,512);
MFSetServoPos(8,512,512);
MFSetServoPos(9,512,512);
MFSetServoPos(10,512,512);
MFServoAction();
}
}
DelayMS(500);
10.机器人整体结构如下图
四、总结
这次的课程实践对于我们的实际动手能力有很大的帮助，并让我们将课本上的知识与实际连接起来。
进行部件组装的时候，刚刚开始非常慢，因为有很多部位需要提前连接好，不能按照从头到尾的顺序进行连接，那样会导致螺丝刀无法对螺丝进行拧紧，从而只能拆开重新进行组装，就是因为这些原因，导致前期组装是速度非常慢，而越到后面，对其结构和组装的先后顺序越来越了解，组装的速度也就越来越快。
在进行电脑编程时，由于不太理解各个界面的意义，并且不太熟练，导致刚开始的编程很
- -
多次都失败了，在多次进行反工后，终于把正确的程序输入成功。
总的来说，这次的课程实践学到了很多东西，有时候盲目的去做不如冷静下来思考一下解决问题的最佳方法。
机器人装配图：
- -优质-。