四足机器人仿生腿结构特性及其控制系统研究

来稿日期：2017-12-08 基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助（175204003, Suppoted by“the Fundamental Research Funds for the Central University”） 作者简介：黄林考，（1992-），男，广西贵港人，硕士研究生，主要研究方向：机器人技术；
式也增加了控制系统的复杂性。文献[4]四足机器人采用电驱动方 式，髋关节与膝关节驱动电机都安装在机体上，膝关节通过链传 动方式驱动，减轻了腿部惯量。文献[5]四足机器人从结构、功能和 运动机理上对猎豹进行仿生，腿部结构上模拟猎豹的肌肉-肌腱 和骨骼结构，采用轻量化符合材料，腿部髋关节和膝关节驱动电 被集成于机身，通过模拟韧带和肌腱的连杆和弹性元件驱动膝关 节和踝关节，其良好的仿生特性使 Cheetah 具备优异的高速运动 能力和灵活性。从当前关于四足机器人及其仿生腿的研究文献来 看，四足机器人对仿生腿的特点与特性要求可概括为结构和驱控 系统两个方面的要求：在结构上，要求具备质量轻、结构紧凑、低 惯量以及仿生特性好等特点[6]；在控制系统上，要求驱控设备有质 量轻、体积小和功率密度大等特点，同时要求控制系统具有强实 时性和开放性，以保证运动控制的精度、运动稳定和便于功能的
1 引言
腿部系统作为四足机器人运动执行与稳定运动实现的重要 肢段，其结构特性直接决定四足机器人的运动学和动力学特性， 系统驱控性能则直接影响到四足机器人稳定运动的实现[1]。腿部 系统的设计原则是以四足动物为仿生对象，提出最简单的仿生结 构和高性能驱控系统，实现腿部的仿生运动。文献[2]机器人每条腿 具有 4 个自由，使其具有很大的灵活性，但其采用液压驱动方式， 增加腿部惯量，使腿的运动速度受到限制。其另一款当前运动速 度最快的机器人 Cheetach 的腿部则采用了简单轻便的结构。IIT[3] 的 HyQ 四足机器人腿部具有三个自由度（髋关节的横摆和前摆， 膝关节的前摆），采用电液混合驱动，即髋关节和膝关节的前摆运 动采用液压驱动，髋关节的横摆采用电机驱动。但液压驱动方式 导致腿的转动惯量大，无法实现高速运动，同时电液混合驱动方
机械设计与制造
增刊
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圆园18 年 5 月
四足机器人仿生腿结构特性及其控制系统研究
黄林考，谭跃刚，David Nicolas Torres Barrera，赵东升
（武汉理工大学 机电工程学院，湖北 武汉 430000）
摘 要：针对四足机器人整机对单个支撑腿的要求，对机械腿结构特性和控制系统展开研究。基于对四足动物腿部生理 结构分析，提出具有两个主动关节和一个被动关节的四足机器人仿生腿结构，并完成运动学特性分析。通过分析仿生四 足机器人控制系统功能与性能要求，提出具有开放性、模块化和结构紧凑特点的仿生四足机器人控制系统方案，基于 DSP 设计并实现仿生腿控制系统。实验证明仿生腿结构合理，控制系统稳定可靠且具有良好的扩展性，仿Байду номын сангаас腿系统可作 为下层模块集成到仿生四足机器人系统。 关键词：四足机器人；仿生腿；控制系统；结构特性 中图分类号：TH16；TP242 文献标识码：A 文章编号：员园园员-3997（圆园18）05 增-0150-04
The Research of Bionic Leg Architecture Character and Control System for Quadruped Robot
HUANG Lin-kao，TAN Yue-gang，David Nicolas Torres Barrera，ZHAO Dong-sheng
（School of Mechanical and Electrical Engineering，Wuhan University of Technology，Hubei Wuhan 430000，China）
粤遭泽贼则葬糟贼：W ith the requirement of quadruped robot，the supported leg’s mechanical structure characteristic and the control system are studied. W ith the analysis of the quadruped leg physiological structure，the bionic leg structure of quadruped robot with two active driving joints is proposedand its kinematic characteristic is analyzed. Based on the analysis of the function and performance requirements of the control system for the bionic quadruped robot，a bionic quadruped robot control system with open，modular and compact structure is proposed. The bionic control system based on DSP is designed and developed. Experimental result shows that the structure of the bionic legs is reasonable，and the control system is stable，reliable and has good expansibility. The bionic leg system can be integrated into the bionic quadruped robot system as the lower module. Key Words：Quadruped Robot；Bionic Leg；Control System；Mechanical Character