毕设文献综述

燕山大学

本科毕业设计（论文）文献综述

课题名称：并联腿步行机器人四足/两足

转化装置设计

学院（系）：

年级专业：

学生姓名：

指导教师：

完成日期：

一、课题国内外现状

1、步行机器人的发展状况

步行机器人，是一种智能型机器人，它是涉及到生物科学、仿生学、机构学、传感技术及信息处理技术等的一门综合性高科技[9]。步行机器人与轮式机器人相比较，其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[1]。我国对于步行机器人的研究起步较晚，从2O世纪8O年代开始研究，到目前已经取得了一系列的成果。1980年，中国科学院长春光学精密机械研究所采用平行四边形和凸轮机构研制出一台八足螃蟹式步行机器人，做了越障、爬坡和通过沼泽地的试验。1989年，北京航空航天大学在张启先教授的指导下，孙汉旭博士进行了刚足步行机的研究，试制成功一台四足步行机，并进行了步行实验；钱晋武博士研究地壁两用六足步行机器人，进行了步态和运动学方面的研究。1990年，中国科学院沈阳自动化研究所研制出全方位六足步行机，不仅能在平地步行，还能上楼梯。1991年，上海交通大学马培荪等研制出JTUWM 系列四足步行机器人。JTUMM—III以马为仿生对象，每条腿有3个自由度，由直流伺服电机分别驱动各个关节的运动。该机器人采用两级分布式控制系统，脚底装有PVDF测力传感器，利用人工神经网络和模糊算法相结合，采用力和位置混合控制，实现了四足步行机器人JTUMM—III的慢速动态行走，极限步速为1.7 km／h 。为了提高步行速度，将弹性步行机构应用于该四足步行机器人，产生缓冲和储能效果[9]。

世界上第一台真正意义的四足步行机器人是由Frank和McGhee于1977年制作的。该机器人具有较好的步态运动稳定性，但其缺点是，该机器人的关节是由逻辑电路组成的状态机控制的，因此机器人的行为受到限制，只能呈现固定的运动形式[15]。

20世纪80、90年代最具代表性的四足步行机器人是日本Shigeo Hirose 实验室研制的TITAN系列。1981～1984年Hirose教授研制成功脚部装有传感和信号处理系统的TITAN—III。它的脚底部由形状记忆合金组成，可自动检测与地面接触的状态。姿态传感器和姿态控制系统根据传感信息做出的控制决策，实现在不平整地面的自适应静态步行。TITAN-VI机器人采用新型的直

动型腿机构，避免了上楼梯过程中各腿间的干涉，并采用两级变速驱动机构，对腿的支撑相和摆动相分别进行驱动。2000—2003年，日本电气通信大学的木村浩等人研制成功了具有宠物狗外形的机器人Tekken—IV。它的每个关节安装了一个光电码盘、陀螺仪、倾角计和触觉传感器。系统控制是由基于CPG 的控制器通过反射机制来完成的。Tekken-IV能够实现不规则地面的白适应动态步行，显示了生物激励控制对未知的不规则地面有自适应能力的优点。它的另一特点是利用了激光和CCD摄像机导航，可以辨别和避让前方存在的障碍，能够在封闭回廊中实现无碰撞快速行走。

目前最具代表的四足步行机器人是美国BostonDynamicss实验室研制的BigDog，如图1所示。它能以不同步态在恶劣的地形上攀爬，可以负载高达52KG的重量，爬升斜坡可达35。。其腿关节类似动物腿关节，安装有吸数震动部件和能量循环部件。

图1 BigDog 图2 Stewart机构

2、并联机器人的发展状况

并联机器人的产生可追溯到十九世纪初。1813年，法国学者Canchy曾研究过并联机构，但未涉及应用。1931年，Gwinnett提出了一种基于球面并联机构的娱乐装置。1940年，Pollard提出了一种用于汽车喷漆的工业空间并联装置。文献记载，1947年，英国人Gough采用并联机构设计了一种6自由度的轮胎测试机，这种结构被称为六足结构(Hexapod)。这种类型的轮胎测试机器从1954年被投入使用。1962年，Gough发明了一种6自由度并联机构，并把它用作轮胎检测装置。1965年，英国高级工程师Stewart对

Gough的这种6自由度机构进行了研究，将其作为飞行模拟器，发表了名为”A Platform with Six Degrees of Freedom”的论文，引起广泛关注，后来这种机构被称为Stewart机构，如图2所示，它是至今为止应用最为广泛的6自由度并联机构。1978年，澳大利亚著名机构学教授Hunt提出把Stewar并联机构用作机器人操作器。1979年，H. McCallion和D. T. Pham 将Stewart机构用于研制装配机器人获得成功，从此世界上出现了第一台并联机器人，也拉开了并联机器人应用和研究的序幕。

并联机器人的应用在国外起步较早。1986年美国Oregon大学学者Fichter采用电机驱动做出了以Stewart平台为主机构的线性手臂。1988年，Hudgens和Tesar研制了采用Stewart机构的并联平台式微动机器人。1989年，Lee研制了采用三自由度3-RPS并联机构的微动机器人；Kerr采用Stewart机构设计了并联平台式传感器。

我国已在国家“九五”科技攻关计划和“863”高技术发展计划中对并联机床的研究与开发予以支持。国内最早从事并联机器人基础性理论研究的是黄真教授和粱崇高教授。1991年，燕山大学研制出我国第一台并联机器人样机，并在此基础上作了很多理论研究。黄真系统的介绍了在研究机器人机构运动学、动力学中应用尤为突出的螺旋理论，他成功地把螺旋理论应用到并联机构的自由度计算上，解决了并联机构的自由度计算问题，并运用螺旋理论对并联机构的合理性进行了判别，还成功地研究了3-RPS并联机构动平台的瞬时运动，并且成功地螺旋理论应用到少自由度并联机构的型综合上，综合出了完全对称的少自由度并联机构。1994年，他研制出了6自由度柔性铰链机器人误差补偿器。1997年，黄真教授出版了我国第一部关于并联机器人理论及控制的专著。

二、研究主要成果

近年来，助残步行机器人的研究成为机器人研究开发领域的一个新热点，并取得了较大的进展。目前，日本在两足机器人研究领域处于世界领先地位。丰田公司于2004 年底推出了一系列“伙伴机器人”，其中包括一台可搭乘人的两足机器人i-Foot，如图3所示。该机器人重200 kg，可载人60 kg。它的最终目的是在有人乘坐的情况下，实现包括上下楼梯在内的灵活运动。