哈工大智能控制报告Big Dog四足机器人设计

2015年秋季学期研究生课程考核

（读书报告、研究报告）

考核科目:智能控制

学生所在院（系）:航天学院

学生所在学科:控制科学与工程

学生姓名:

学号:15S004001

学生类别:学术型

考核结果阅卷人

本人签字：

Big Dog四足机器人的设计分析

题目：假如你是“大狗”（Big Dog）控制系统项目的负责人，你将如何开展研究？请给出

研究步骤和初步方案。

本文的论述过程即按照研究步骤划分，共五个环节：

1)首先规划研究任务；

2)查阅资料并了解研究背景与现状；

3)整理设计要求，根据要求提出系统的整体设计方案；

4)细化方案，根据各模块的功能与配合设计出初步方案，并对其中应用到的技术分别进行阐述；

5)分析系统的优势与不足，提出可行的创新、改进意见与未来研究工作的发展方向。

一、研究任务规划：

1.首先查阅资料，了解Big Dog的研究现状与背景；

2.了解Big Dog的整体结构组成，并分别研究各个部分功能分工，包括液压驱动系统，机械结构关节与执行器，伺服控制回路与控制算法，传感器与反馈闭环通路，软件与导航系统等；

3.大致设计各个环节对应所需的设备，清楚整个系统的工作原理与工作流程，研究系统的实现方式；

4.重点研究Big Dog的运动控制系统及软件系统的实现方式，以传感器与反馈通道，伺服控制回路及控制算法为主，详细阐述智能控制的模糊神经网络算法在本系统中的应用前景；

5.比较Big Dog当前系统的优势与不足，提出可行的创新、改进意见与研究工作的发展方向。

二、研究背景意义：

波士顿动力公司开发的Big Dog四足机器人自问世之后，受到了广泛的关注，凭借卓越的性能，成为国际四足机器人领域的翘楚。Big Dog机器人最引人注目的就是它出众的运动能力，多步态行走、小跑、跳跃１ｍ宽的模拟壕沟、爬越35°的斜坡，能适应山地、丛林、海滩、沼泽、冰面、雪地等复杂危险的地形。主制造商美国谷歌波士顿动力公司自2005年起，先后推出12自由度Big Dog、16自由度Big Dog、LS3四足，2013年最新的带有强力机械臂的Big Dog、Atlas双足双臂等机器人。以上系列机器人虽然外形各异、功能不同，但是都是在Big Dog原型机基础之上所改进而成的。因此，分析Big Dog四足机器人的核心技术是洞穿其系列机器人设计思想的主要渠道。

Big Dog机器人最显著的优势就是能够自如行走于复杂的非结构化地形中。这也是四足超越轮式、履带式机器人的主要特性。因此Big Dog设计的核心思想，就是如何克服崎岖不平的未知和不可准确预测的的复杂地形，使得机器人能够安全平稳的运行，甚至能够像生物一样流畅的，自主的并以一定的速度进行行走。

为了实现这些目标，Big Dog将用到地形传感器，精密计算机和电力系统，先进的执行

器和动态控制等控制仪器。Big Dog的设计者从1986年开始了这方面的研究，重点集中于腿部机器人在动态行走中如何保持平衡。从试验中，他们发现可以通过相对简单的控制方法去控制这些机器人，分为三个主要活动的控制行为：支持有垂直弹跳运动的身体，由伺服电机控制各个关节的转动以在运动中保持平衡，使用对称原则把每个脚步放置在关键位置是机器人在运动中保持平衡。虽然从不同机器到不同机器控制细节不同，但它们都共享这三基本要素。而Big Dog是一个独立的四足机器人，既借鉴了腿部机器人实验室中的许多概念与思想，并且还解决了机载电源和复杂地形控制算法的实际问题。

Big Dog四足机器人可如下简单概括：主要以四足哺乳动物结构为仿生参考，采用纯机械方法设计和制造，拥有12或16个主动自由度的腿类移动装置；以液压为驱动系统对主动自由度实施动力输出，机载运动控制系统可对机体姿态和落足地形实施检测，利用虚拟模型可测算机体重心位置等关键参数，依据智能控制的算法原则，再借助虚拟模型实施正确和安全的运动规划，根据肢体实际载荷大小动力学实施准确的规划和输出，并根据机体状态的变化同步调整输出，使得机器人具有对复杂地形很强的适应能力。Big Dog具有很高的运动自主性，同时还有较高的导航智能性，独立对环境实施感知和自主规划路径，很少需要人工的干预。Big Dog属于典型的具有全自主运动能力，较强全自主导航能力的非结构化环境四足移动机器人，是当前机器人领域较先进的一种陆地移动机器人。

三、Big Dog设计要求整理

为了使本文所研制的四足仿生机器人运动平台能扩展为一个全自主移动机器人，能在户外复杂地形下行走，并具有一定的负载能力。因此，控制系统须完成导航、路径规划、步态规划、关节伺服控制、各类传感器信息的采集与处理等任务，具体设计要求如下:

1.整个控制系统需装在机器人上，尺寸和重量尽可能小；

2.尽可能模块化，扩展性好，便于后续功能模块的增加；

3.实时性强；

4.具备友好的人机界面，为系统的调试、监控提供方便；

5.实现导航、路径的规划；

6.单关节的伺服控制，机器人的运动是通过各关节的协调运动来实现的，单关节实时、准确的控制是实现机器人协调运动的前提；

7.多关节的协调控制，四足仿生机器人运动是通过各关节之间的协调运动来实现，因此多关节的协调控制直接关系到机器人步态的合理性以及运动的协调性；

8.平衡控制，保证机器人在不平整的地形能稳定运行，机器人受一定干扰力时仍然能保持稳定状态；

9.各类传感器信息的采集与处理，要实现机器人的自主运动，须借助各类传感器来获取环境及机器人自身的信息;

10.具有一定的容错能力，当机器人出现某些异常时，控制系统能根据需要做出一定的处理。

将上述要求归类，控制系统由以下三大功能模块组成:

1.机器人宏观规划、决策模块:根据外部给定的目标任务，借助各类传感器，确定机器人的行走路线；

2.多关节协调控制模块:将机器人的任务分解到各个关节，通过多关节的、协调运动来完成具体的行走任务;