液压驱动四足仿生机器人的结构设计和步态规划

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收稿日期：２０１１０８２０基金项目：国家自然科学基金资助项目（６１０７５０９１）；山东大学自主创新基金资助项目（２００９ＪＣ０１０，２０１１ＪＣ）；国家高技术研究发展计划（８６３计划）主题项目“ 高性能四足仿生机器人” 资助项目
［２］
１结构设计
与其它四足哺乳动物相比，骡／马的运动生理结构（骨骼、肌腱、肌肉等）和运动模式独特，对复杂地形环境的适应能力较强，行走速度快，负重量较大，几千年来一直是货物驮运运输的主要工具。如图１所示，骡／马的后腿主要包括髋关节、膝关节、踝关节
８］和跖趾关节［。为了减小行走过程中与地面的冲
１］。究，构造了各种不同的四足机器人实验平台［
姿态调整和稳定控制。为了提高四足机器人的适用范围，提高机器人的地形适应能力，机器人在通常运动中，必须保持较高的步态速度，利用动步态行走。以高动态、高适应性、高负载能力为目标，山东大学机器人研究中心设计了基于液压驱动的四足仿马）的运动生机器人平台。基于典型哺乳动物（骡／生理结构研究与步态分析，进行四足机器人的仿生结构设计和步态规划。通过实际机器人平台的实验，进行四足机器人平台的结构优化和仿生步态的快速平稳控制算法验证。突破液压驱动四足仿生机器人的若干关键技术，为机器人实现复杂环境下的任务提供一定的理论支持和实验积累。
７］。因此，动速度越快，身体躯干中心越低，步长越大［
图１骡／马的腿结构示意图Ｆｉｇ．１Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｍｕｌｔｉｊｏｉｎｔｅｄｌｅｇｏｆｍｕｌｅ／ｈｏｒｓｅ
６］。在四足机器人的行走步态中，根据和旋转步态［
运动速度的不同，分为静步态和动步态，当四足机器人的步态从静态行走到慢跑然后到飞奔的步态转化过程中，一般遵循的原则是消耗的能量最小。也就是当四足机器人的运动速度逐渐增加时，为了使得消耗的能量最优，必须根据速度的不同选择不同的步态。为了减少运动中的能量消耗，随着四足机器人运动速度的提高，除了步态需要发生变化之外，其运动参数也需要相应的变化。一般情况下，机器人运
击，减小能量损失，骡／马从髋关节到跖趾关节，被动自由度逐渐增加，并且在跖趾关节中存在较好的减震机构，能够高效率的进行动能势能之间的转换。马的骨骼结构，基于仿生学原理，所设计的仿照骡／液压驱动四足仿生机器人，每条腿有４个主动旋转１个横滚自由度，３个俯仰自由度，均由液压关节（伺服油缸驱动）和１个被动伸缩关节。４个主动关节使机器人腿－足运动空间更大，越障和适应复杂地形环境的能力更强；当受到横向冲击时，可通过剪ｒｏｔ步态）快速使机器人恢复稳定；被动刀步（横向ｔ伸缩关节在机器人足落地时具有良好的缓冲作用，减小地面对支撑腿的冲击力及其对机器人质心的倾翻力矩，显著改善机器人的姿态稳定性能；每条腿具个主动自由度，使机器人的运动和各关节的力／有４
液压驱动四足仿生机器人的结构设计和步态规划
，２李贻斌１，李彬１，荣学文１，孟健１
（１．山东大学控制科学与工程学院，山东济南２５００６１；２．山东轻工业学院理学院，山东济南２５０３５３）
摘要：介绍了山东大学机器人研究中心研发的液压驱动四足仿生机器人。目的是设计能够适应复杂地形环境，具马的生物仿生，构造了具有被动结构、基于液压驱动的四有高动态、高负载能力的液压驱动四足机器人。基于骡／足机器人腿关节结构，满足了机器人稳定控制和高负载能力的需要。基于四足机器人的运动学和逆运动学模型，规划了机器人稳定的对角小跑动步态。实际液压驱动四足机器人平台的实验验证表明了机器人结构设计的合理性和步态规划的有效性。关键词：四足仿生；机器人；液压驱动；设计；步态规划中图分类号：ＴＰ２４２文献标志码：Ａ
最近２０多年，虽然在足式机器人研究领域取得了较大的进展，但足式机器人的能力仍然大大落后于所仿生的生物对象，大部分仅处于实验室仿真阶段，实用性较差。为了提高机器人的实用性，使之较好的完成野外复杂环境下的探测、运输等任务。首先，机器人必须能够在无外接电缆前提下，具有充分的自治时间。其次，机器人必须具有较好的动态特性，较快的移动速度和较高的负载能力
。为了提
高四足机器人的动态特性和负载能力，要求机器人的关节具有较大驱动力矩和快速响应能力。因此，必须采用具有较好的动态特性，较大的输出力矩和功率密度比，较高的带宽和一定程度柔顺特性的液压驱动方式。现阶段，比较具有代表性的基于液压驱动方式的四足仿生机器人有美国波士顿动力公司
３］的ＢｉｇＤｏｇ四足机器人［，韩国工业技术研究院和
Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｄｅｓｉｇｎａｎｄｇａｉｔｐｌａｎｎｉｎｇｏｆａｈｙｄｒａｕｌｉｃａｌｌｙａｃｔｕａｔｅｄｑｕａｄｒｕｐｅｄｂｉｏｎｉｃｒｏｂｏｔ
１１，２１１ＬＩＹｉｂｉｎ，ＬＩＢｉｎ，ＲＯＮＧＸｕｅｗｅｎ，ＭＥＮＧＪｉａｎ
第４１卷第５期山东大学学报（工学版）Ｖｏｌ．４１Ｎｏ．５ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＳＨＡＮＤＯＮＧＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＳＣＩＥＮＣＥ）
Ｒｏｔｅｍ公司研制的液压驱动四足机器人
［４］
以及意大
［５］
利技术研究院的ＨｙＱ电液混合驱动四足机器人
。
wenku.baidu.com
除机器人驱动方式外，对于四足机器人来说，步态规划和动态控制也是一个较为重要的方面。四足机器人的步态一般分为两类，周期步态和非周期步态（自由步态），有时机器人的步态也分为连续步态和非连续步态。根据机器人的行走方向，可以分为直线步行步态（前进步态或者后退步态），转弯步态
第５期
李贻斌，等：液压驱动四足仿生机器人的结构设计和步态规划
３３
必须根据机器人速度的不同，进行不同的步态规划、
０引言
移动机器人平台的发展是一个重要和相对比较活跃的科研领域。移动机器人一般包括轮式、履带式和足式机器人。相对于轮式和履带式机器人来说，足式机器人对非结构环境的适应性更强，可以几乎在陆地上的任何地方行走。一般情况下，足式机器人可分为双足、四足和六足机器人。相对于双足机器人，四足机器人具有较好的稳定性；而相对于六足机器人来说，四足机器人具有较为简单的机构复杂度。因此，越来越多的学者投入到四足机器人领域的研
（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｏｎｔｒｏｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈａｎｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉｎａｎ２５００６１，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＳｃｉｅｎｃｅ，ＳｈａｎｄｏｎｇＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉｎａｎ２５０３５３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＡｈｙｄｒａｕｌｉｃａｌｌｙａｃｔｕａｔｅｄｑｕａｄｒｕｐｅｄｂｉｏｎｉｃｒｏｂｏｔｈａｓｂｅｅｎｄｅｖｅｌｏｐｅｄｂｙＣｅｎｔｅｒｆｏｒＲｏｂｏｔｉｃｓａｔＳｈａｎｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｉｓｄｅｓｃｒｉｂｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｔｈｅｏｂｊｅｃｔｉｖｅｉｓｔｏｄｅｓｉｇｎａｈｉｇｈｌｙｄｙｎａｍｉｃａｎｄｈｉｇｈｌｏａｄｑｕａｄｒｕｐｅｄｒｏｂｏｔｔｈａｔｅｎａｂｌｅｓｔｈｅａｄａｐｔａｔｉｏｎｔｏｃｏｍｐｌｅｘｔｅｒｒａｉｎ．Ｂａｓｅｄｏｎｍｕｌｅ／ｈｏｒｓｅｃｒｅａｔｕｒｅｂｉｏｎｉｃｓ，ｔｈｅｌｅｇｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｗｉｔｈｐａｓｓｉｖｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｈｙｄｒａｕｌｉｃａｃｔｕａｔｉｏｎａｒｅｍｅｔｔｈｅｎｅｅｄｓｏｆｓｔａｂｉｌｉｔｙｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｈｉｇｈｌｏａｄｃａｐａｃｉｔｙ．Ａｎｄｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｄｙｎａｍｉｃｔｒｏｔｔｉｎｇｇａｉｔｏｆｔｈｅｑｕａｄｒｕｐｅｄｒｏｂｏｔｉｓｐｌａｎｎｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｆｏｒｗａｒｄｋｉｎｅｍａｔｉｃｓａｎｄｉｎｖｅｒｓｅｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｏｆｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｅｄｑｕａｄｒｕｐｅｄｂｉｏｎｉｃｒｏｂｏｔｐｌａｔｆｏｒｍｓｈｏｗｔｈｅｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙｏｆｍｅｃｈａｎｉｃａｌｄｅｓｉｇｎａｎｄｔｈｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓｏｆｇａｉｔｐｌａｎｎｉｎｇ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｑｕａｄｒｕｐｅｄｂｉｏｎｉｃｓ；ｒｏｂｏｔ；ｈｙｄｒａｕｌｉｃａｃｔｕａｔｉｏｎ；ｄｅｓｉｇｎ；ｇａｉｔｐｌａｎｎｉｎｇ
文章编号：１６７２３９６１（２０１１）０５００３２０５
２０１１年１０月Ｏｃｔ．２０１１
李贻斌，工学博士，教授，博士生导师，山东大学机器人研究中心主任，
控制科学与工程学院副院长，国家自然科学基金委员会第十二、十三届专家评审组成员，国务院特殊津贴获得者，国家“ ８６３ ” 计划先进工作者，山东省自动化学会副理事长，山东省机器人专业委员会主任，山东省机器人发展专家其中国家８６３计划课题５委员会专家。主持承担和完成国家级项目７项，项，国家基金课题２项，获国家科技进步二等奖１项，省科技进步一等奖１项，省教学成果一等奖１项，山东省十大科技成果奖１项，国家煤炭工业十特种机器人、智能车辆和机电一体化等方面的教大科技成果１项。现主要从事智能机器人、学和科研工作。