第一篇：四足步行機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計文獻綜述_-_副本

四足步行機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計文獻綜述

四足步行機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計文獻綜述

（）

摘要：對國內(nèi)、外四足步行機器人的研究發(fā)展現(xiàn)狀進行了綜述，對四足步行機器人亟需解決的問題進行了論述，并對未來可能的研究發(fā)展方向進行了展望。關(guān)鍵字：四足步行機器人；研究現(xiàn)狀；展望

1、引言

四足步行機器人是機器人家族的一個重要分支，其不僅承載能力強，而且容易適應(yīng)不平的地形。它既能使用靜態(tài)穩(wěn)定的步態(tài)緩慢平滑地行走，又能以動態(tài)穩(wěn)定的步態(tài)跑動。與輪式、履帶式移動機器人相比，在崎嶇不平的路面，步行機器人具有獨特優(yōu)越性能，在這種背景下，步行機器人的研究蓬勃發(fā)展起來。而仿生四足步行機器人的出現(xiàn)更加顯示出步行機器人的優(yōu)勢：

（1）四足步行機器人的運動軌跡是一系列離散的足印，運動時只需要離散的點接觸地面，對環(huán)境的破環(huán)程度也較小，可以在可能到達的地面上選擇最優(yōu)的支撐點，對崎嶇的地形的適應(yīng)性強。

（2）四足步行機器人的腿部具有多個自由度，使運動的靈活性大大增強。它可以通過調(diào)節(jié)腿的長度保持身體水平，也可以通過調(diào)節(jié)腿的伸展程度調(diào)整重心位置，因此不易翻到，穩(wěn)定性更高。

（3）四足步行機器人身體與地面是分離的，這種機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于：運動系統(tǒng)還具有主動隔振能力即允許機身運動軌跡和足運動軌跡解耦，機器人的身體可以平穩(wěn)的運動而不必考慮地面的粗糙度和腿的放置位置。

（4）機器人在不平地面和松軟路面上的運動速度較快，能耗較低。

2、國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀60年代，四足步行機器人的研究工作開始起步。隨著計算機技術(shù)和機器人控制技術(shù)的研究和應(yīng)用，到了20世紀80年代，現(xiàn)代四足步行機器人的研制工作進入了廣泛開展的階段。

世界上第一臺真正意義的四足步行機器人是有Frank和McGhee于1977年制作的。該機器具有良好的步態(tài)運動穩(wěn)定性，但缺點是，該機器人的關(guān)節(jié)是由

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邏輯電路組成的狀態(tài)機控制的，因此機器人的行為受到限制，只能呈現(xiàn)固定運動形式。

20世紀80，90年代最具代表性的四足步行機器人是日本Shigeo Hirose實驗室研制的TITAN系列。1981~1984年Hirose教授研制成功腳步裝有傳感和信號處理系統(tǒng)的TITAN-III。它的腳底步由形狀記憶合金組成，可自動檢測與地面接觸的狀態(tài)。姿態(tài)傳感器和姿態(tài)控制系統(tǒng)根據(jù)傳感信息做出的控制決策，實現(xiàn)在不平整地面的自適應(yīng)步行。TITAN-VI機器人采用新型的直動性腿機構(gòu)，避免了上樓梯過程中兩腿的干涉，并采用兩級變速驅(qū)動機構(gòu)，對腿的支撐相和擺動相分別進行驅(qū)動。

2000-2003年，日本電氣通信大學(xué)的木村浩等人研制成功了具有寵物狗外形的機器人Tekken-IV，如圖1所示。它的每個關(guān)節(jié)安裝了一個光電碼盤，陀螺儀，傾角計和觸覺傳感器。系統(tǒng)控制是由基于CPG的控制器通過反射機制來完成的。Tekken-IV能夠?qū)嵕€不規(guī)則地面的自適應(yīng)動態(tài)步行，顯示了生物激勵控制對未知的不規(guī)則地面有自適應(yīng)能力的優(yōu)點。它的另一特點是利用了激光和CCD攝像機導(dǎo)航，可以辨別和避讓前方存在的障礙，能夠在封閉回廊中實現(xiàn)無碰撞快速行走。

目前最具代表性的四組步行機器人是美國Boston dynamics實驗室研制的BigDog，如圖2所示。它能以不同的步態(tài)在惡劣的地形上攀爬，可以負載高達52KG的重量，爬升可達35°的斜坡。其腿關(guān)節(jié)類似動物腿關(guān)節(jié)，安裝有吸收震動部件和能量循環(huán)部件。同時，腿部連有很多傳感器，其運動通過伺服電機控制。該機器人機動性和反應(yīng)能力都很強，平衡能力極佳。但由于汽油發(fā)電機

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需攜帶油箱，故工作時受環(huán)境影響大，可靠性差。另外，當(dāng)機器人行走時引擎會發(fā)出怪異的噪音。

國內(nèi)四足機器人研制工作從20世紀80年代起步，取得一定成果的有上海交通大學(xué)、清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等。

上海交通大學(xué)機器人研究所于1991年開展了JTUWM系列四足步行機器人的研究。1996年該研究所研制成功了JTUWM-III，如圖3所示。該機器人采用開式鏈腿機構(gòu)，每個腿有3個自由度，具有結(jié)構(gòu)簡單，外形輕巧，體積小，質(zhì)量輕等特點。它采用力和位置混合控制，腳底裝有PVDF測力傳感器，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊算法相結(jié)合，實線了對角動態(tài)行走。但行走速度極慢，極限步速僅為1.7KM/h,另外其負重能力有限，故在實際作業(yè)時實用性較差。

清華大學(xué)所研制的一款四足步行機器人，它采用開環(huán)關(guān)節(jié)連桿機構(gòu)作為步進機構(gòu)，通過模擬動物的運動機理，實現(xiàn)比較穩(wěn)定的節(jié)律運動，可以自主應(yīng)付復(fù)雜的地形條件，完成上下坡行走，越障等功能。不足之處是腿運動時的協(xié)調(diào)控制比較復(fù)雜，而且承載能力較小。

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3、國內(nèi)外的關(guān)鍵技術(shù)分析

（1）機械本體研究

四足步行機器人是機電一體化系統(tǒng)，涉及到機構(gòu)、步態(tài)、控制等，而機械機構(gòu)是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)。在機械本體的設(shè)計中腿部機構(gòu)設(shè)計是關(guān)鍵。目前，研制的四足步行機器人的腿部機構(gòu)形式主要有縮放型機構(gòu)、四連桿機構(gòu)、并聯(lián)機構(gòu)、平行桿機構(gòu)、多關(guān)節(jié)串聯(lián)機構(gòu)和緩沖型虛擬彈簧腿機構(gòu)。其中，并聯(lián)機構(gòu)可以實現(xiàn)多方位運動，且負載能力強，所以具有較好的應(yīng)用前景，但控制系統(tǒng)較為復(fù)雜。另外，含有彈性元件的緩沖型虛擬彈簧腿機構(gòu)，利用彈性元件把剛性連接變?yōu)槿嵝赃B接，減緩機器人在動態(tài)行走時的沖擊以及由此產(chǎn)生的振動，因此該機構(gòu)應(yīng)用越來越廣泛。

（2）步態(tài)研究

步行機器人幾種典型步態(tài)有：爬行、對角小跑、溜蹄、跳躍、定點旋轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)向等。在文獻[7]中，提出了爬步態(tài)的理論，并證明了該步態(tài)具有最大的靜穩(wěn)定性。對角小跑步態(tài)屬于動態(tài)穩(wěn)定步態(tài)，能夠提高運動速度。跳躍式步態(tài)較其它步態(tài)在前進的效率上具有明顯的優(yōu)勢，但是由于受到腿機構(gòu)的擺動慣性力和關(guān)節(jié)處大沖擊力的影響，因此需要較大的瞬時驅(qū)動力。另外，跳躍持續(xù)的時間是短暫的，為了保證機器人實時可控，必然需要在極短的時間內(nèi)采集多種信號，這對目前的驅(qū)動元件和傳感器都提出了極高的要求。目前所研究的各種步態(tài)中，跳躍步態(tài)的研究是最具挑戰(zhàn)性的難點問題。

（3）控制技術(shù)研究

復(fù)雜四足步行機器人的控制系統(tǒng)是非線性的多輸入和多輸出不穩(wěn)定系統(tǒng)，四足步行機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計文獻綜述

具有時變性和間歇動態(tài)性。目前四足機器人的步行運動大多數(shù)是基于步態(tài)的幾何位置軌跡規(guī)劃、關(guān)節(jié)位置控制的規(guī)劃和控制策略。而對機器人進行單純的幾何位置規(guī)劃與控制，則會由于慣性、腳力失衡等因素而導(dǎo)致機器人失穩(wěn)。解決這個問題的關(guān)鍵就是突破單一的位置規(guī)劃與控制策略，實施機器人力、位置混合控制。在步態(tài)生成和控制方面，有理論突破意義的是基于生物中樞模式發(fā)生器(CPG)原理的運動控制方法。

（4）驅(qū)動能源研究

在線提供能源受到空間的限制，而蓄電池組受體積和重量的限制，因此尋求提供持續(xù)可靠的離線自帶電源就成了必須。隨著新型電池的研發(fā)，新型太陽能電池、燃料電池、鋰電池等成為較為理想的能量供給來源。另外，通過微波對微型機器人提供能量和控制信號也是一種較為可觀的方法。

4、存在的問題

從20世紀60年代至今研究者們對四足步行機器人關(guān)鍵技術(shù)的分析做了大量的工作，在一些基礎(chǔ)理論問題上取得了一定的突破，使四足步行機器人的技術(shù)水平不斷得到提高。但在四足步行機器人發(fā)展過程中仍有一些亟需解決的問題：

（1）步行機器人的結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計問題；（2）在不平地面移動的速度、穩(wěn)定性問題；（3）四足步行機器人的步態(tài)規(guī)劃問題；（4）步行機器人仿生控制方面的問題；

（5）有些步行機器人的體積和質(zhì)量都很大問題；（6）多數(shù)步行機器人研究平臺的承載力不強問題；

5、展望

隨著對四足步行機器人的研究的日益深入和發(fā)展，四足步行機器人在速度、穩(wěn)定性、機動性和對地面的適應(yīng)能力等方面的性能都將不斷提高，自主化和智能化也將逐步的實現(xiàn)，從而使其能夠在更多特殊環(huán)境和場合中使用，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。

縱覽當(dāng)前四足機器人的發(fā)展，四足步行機器人有以下幾個值得關(guān)注的趨勢：

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（1）實現(xiàn)腿機構(gòu)的高能，高效性；（2）輪，足運動相結(jié)合；（3）步行機器人微型化；

（4）增強四足步行機器人的負載能力；（5）機器人仿生的進一步深化；

6、總結(jié)

盡管四足步行機器人技術(shù)有了很大的發(fā)展，足式機器人的研究平臺有很多，但制約四足機器人技術(shù)進一步發(fā)展的基礎(chǔ)理論問題并沒有得到根本的解決，其中，許多樣機還達不到生物簡單運動的速度和穩(wěn)定性。正如著名機器人學(xué)家Geles教授所言：“步行機器人的理論研究步伐要遠遠落后于其技術(shù)開發(fā)的步伐”。現(xiàn)有的四足機器人的基礎(chǔ)技術(shù)研究尚不夠成熟和完善，足式機器人的關(guān)鍵技術(shù)還有待于進一步大力開發(fā)。

7、參考文獻

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四足步行機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計文獻綜述

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第二篇：雙足步行機器人相關(guān)翻譯

本科畢業(yè)論文

外文文獻及譯文

文獻、資料題目：Walking Control algorithm of

Biped Humanoid Robot

文獻、資料來源：期刊

文獻、資料發(fā)表（出版）日期：1999.6.3 院（部）： 理學(xué)院

專

業(yè)： 光信息科學(xué)與技術(shù) 班

級： 光信112 姓

名： 王若宇 學(xué)

號： 2011121135 指導(dǎo)教師： 趙俊卿 翻譯日期： 2015.5.14

山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文外文文獻及翻譯

外文文獻：

Walking Control algorithm of Biped Humanoid Robot

Many studies on biped walking robots have been performed since 1970 [1-4].During that period, biped walking robots have transformed into biped humanoid robots through the technological development.Furthermore, the biped humanoid robot has become a one of representative research topics in the intelligent robot research society.Many researchers anticipate that the humanoid robot industry will be the industry leader of the 21st century and we eventually enter an era of one robot in every home.The strong focus on biped humanoid robots stems from a long-standing desire for human-like robots.Furthermore, a human-like appearance is desirable for coexistence in a human-robot society.However, while it is not hard to develop a human-like biped robot platform, the realization of stable biped robot walking poses a considerable challenge.This is because of a lack of understanding on how humans walk stably.Furthermore, biped walking is an unstable successive motion of a single support phase.Early biped walking of robots involved static walking with a very low walking speed [5,6].The step time was over 10 seconds per step and the balance control strategy was performed through the use of COG(Center Of Gravity).Hereby the projected point of COG onto the ground always falls within the supporting polygon that is made by two feet.During the static walking, the robot can stop the walking motion any time without falling down.The disadvantage of static walking is that the motion is too slow and wide for shifting the COG.Researchers thus began to focus on dynamic walking of biped robots [7-9].It is fast walking with a speed of less than 1 second per step.If the dynamic balance can be maintained, dynamic walking is smoother and more active even when using small body motions.However, if the inertial forces generated from the acceleration of the robot body are not suitably controlled, a biped robot easily falls down.In addition, during dynamic walking, a biped robot may falls down from disturbances and cannot stop the walking motion suddenly.Hence, the notion of ZMP(Zero Moment Point)

第三篇：四足步行機器人外文翻譯1

新興的運動模式四足機器人氣動肌肉用的模型

保德山田，聰西川，伊士達和康夫國芳 研究生信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，東京大學(xué)

大學(xué)院情報研究，東京大學(xué)

1、動機，問題的陳述，相關(guān)工作

動物的進化過程形成了形態(tài)和神經(jīng)系統(tǒng)從彼此相互適應(yīng)而達到一個在環(huán)境中有效的感覺整合。作為一個結(jié)果，各種復(fù)雜行為的標(biāo)志，通過能耗效率以及從動態(tài)自組織產(chǎn)生互動的身體、神經(jīng)系統(tǒng)和環(huán)境。這些技能是可能的，一方面，因為神經(jīng)系統(tǒng)利用身體的物理屬性，而另一方面通過感官刺激形成體動力學(xué)神經(jīng)力學(xué)結(jié)構(gòu)。這構(gòu)成了一個體現(xiàn)智能[1] [2] [3]的基本屬性。

近年來,許多研究已經(jīng)發(fā)展到更好地了解潛在的機制動物的運動技能和如何將它們應(yīng)用在機器人[4][5]。此外，特定的注意力被集中在中央的模式發(fā)生器在仿生機器人[6]中來復(fù)制動物運動。舉例來說，像狗一樣的鐵拳系列[7]可以使用感官反饋實現(xiàn)穩(wěn)定的運動，而類似昆蟲的AMOS-WD06[8]可通過利用中央政府模型的混沌特性產(chǎn)生各種復(fù)雜的行為。然而，這些機器人不用容易開發(fā)的物理身體就能實現(xiàn)運動，是因為身體過于僵化或受線性電磁馬達控制。相反，動物的骨骼肌肉系統(tǒng)是一個復(fù)雜和冗余的非線性結(jié)構(gòu)形態(tài)構(gòu)成粘彈性肌腱組織材料[9]的肌肉。一些研究都集中在中樞神經(jīng)系統(tǒng)和他們的身體的研究[10][11] [12]。出于這個原因，我們建議在四足機器人中調(diào)查這個問題，以及神經(jīng)系統(tǒng)隨著體動力學(xué)系統(tǒng)如何互相感應(yīng)，以產(chǎn)生各種適應(yīng)性行為的議案。

2、技術(shù)方法

我們設(shè)計了一個簡單的十分真實的四足機器人去捕捉動物骨骼系統(tǒng)的重要特征，以實現(xiàn)對神經(jīng)系統(tǒng)的體現(xiàn)。古典驅(qū)動器已被麥吉類型氣動人工肌肉替換，根據(jù)阻尼和彈性，重現(xiàn)一些生物肌肉的非線性特性 [12] [13] [14]（圖1）。在真正的肌肉中，傳感反饋是通過感覺到的肌肉長度的肌梭和感知肌張力的高爾基腱器官完成的。我們通過使用壓力傳感器和電位器計算長度和人工肌肉的張力來復(fù)制此功能的。

基于生物學(xué)的考慮，我們用小原國芳與他的同事們開發(fā)的脊髓延髓的系統(tǒng)模型設(shè)計了神經(jīng)系統(tǒng)[15] [16]（圖2）。一個的脊髓延髓模式的單一元素組成肌肉、一個α和γ運動神經(jīng)元、傳入感覺中間神經(jīng)元和神經(jīng)的振蕩器模型。雖然每個元素不直接連接到總體，我們預(yù)計機器人的振蕩器的非線性光學(xué)性質(zhì)將建立彌散的互感器和動力連接器條件從而產(chǎn)生全身的不同運動（圖3）。

圖1.麥吉氣動人造肌肉的類型。

圖2.脊髓延髓模型。箭頭和填充圈分別代表興奮和抑制的連接。

圖3.脊髓延髓中體現(xiàn)的模型。

3、結(jié)果

在我們的實驗中，感覺身體之間的動力學(xué)與在同樣的一個實驗中用自我組織的各種行為模式時尚的脊髓延髓系統(tǒng)修改動態(tài)的腿配位順序之間的相互作用。

例如，機器人需要幾個步驟產(chǎn)生動態(tài)向前運動（圖4左）。然后，通過執(zhí)行向后運動的幾個步驟（圖4中），機器人切換到另一個模式。一段時間后，返回到其先前的運動狀態(tài)和重新生成向前運動（圖4右）。在實驗中每個關(guān)節(jié)的角度來看，我們觀察到一些相同步和相交錯模式（圖5）。

我們注意到，這種類型的運動在整個實驗中并不經(jīng)常發(fā)生，這表明了系統(tǒng)的動力學(xué)性質(zhì)。例如，在一個實驗中，我們觀察到的運動僅僅只是向后的。然而，這種行為運動顯示了各種模型例如左腿和右腿之間或者兩腿交錯間的自動相位同步模型。

圖4.運動行為的快照

圖5.時間序列的關(guān)節(jié)角度.4、實驗

我們進行了一些實驗來生成四足動物骨骼機器人的模型（圖6和圖7）的運動行為。在脊髓延髓的模型中，每個機器人的腿部肌肉是相互隔離的，并且沒有直接聯(lián)系。然而，我們預(yù)測，化身將在與環(huán)境的相互作用中為彌散互感器創(chuàng)造條件，目的是產(chǎn)生各種自適應(yīng)行為模式。

人工肌肉從外部壓縮機提供空氣，我們使用比例壓力控制閥控制肌肉內(nèi)部的壓力。機器人安裝有中央處理器板運行實時操作系統(tǒng)向壓力閥發(fā)送的命令和從壓力傳感器、電位器接收傳感器值。一個CPU板和計算神經(jīng)動力學(xué)與外部PC機進行通信。

圖6.四足氣動肌肉機器人

圖7.肌肉的布局。紅色部分代表氣動人工肌肉，藍色部分代表的是被動肌肉構(gòu)

成彈簧。

5、實驗的主要見解

在實驗中，雖然我們對神經(jīng)系統(tǒng)的模型使用相同的參數(shù)，但是我們還是觀察到各種復(fù)雜的運動模式。這些運動模式是個別肌肉的動態(tài)連接器的結(jié)果–即，它們之間并沒有直接的連接：通過物理身體和神經(jīng)系統(tǒng)與環(huán)境的動力相互作用。這一動態(tài)同步的機制是復(fù)雜和與環(huán)境相適應(yīng)的，它探討了身體的自然運動模式。

在今后的實驗中，我們將進一步研究行為的自我組織模式機制所需的身體的性能和有利于構(gòu)成這一組織模式機制的神經(jīng)系統(tǒng)。

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第四篇：四足機器人的翻譯有圖兼容

機器人技術(shù)和計算機集成制造

多功能四足機器人的模塊化設(shè)計

摘要

現(xiàn)代工業(yè)使用多種類型的機器人。除了普通的機械手臂，兩足，三足，還有四足機器人，四足機器人最初是為了開發(fā)玩具，現(xiàn)在越來越多的應(yīng)用于制造業(yè)中。這項研究始于建立具有多種功能的四足機器人平臺，高靈敏度，模塊化裝配，這是我們構(gòu)造工業(yè)機器人的基本模型。在額外負載下，四足機器人的四條腿能增強其承載能力，它的可靠性要高于兩足或三足機器人，這有助于它攜帶更多的物品并提高性能。根據(jù)不同的要求和制造工藝要求，高度敏感的四足機器人提供了一個擴展接口，添加不同的傳感元件。此外，當(dāng)與無線通訊模塊或獨立的1.2GHz的射頻電荷耦合裝置無線圖像傳輸系統(tǒng)相結(jié)合，用戶可以遠程控制機器人，即時。該設(shè)計有助于四足機器人擴大其應(yīng)用。通過拆裝模塊和改變傳感元件，高度敏感的四足機器人可用于不同的任務(wù)。此外，機器人的遠程控制功能將增加與人類的相互作用，因此它可以非常多的卷入人們的生活工作。四足機器人平臺將為不同的工業(yè)機器人的商業(yè)化設(shè)計提供參考，并將提供更多的選擇和有用的創(chuàng)意應(yīng)用工業(yè)機器人的設(shè)計。1.介紹 1977年，Gollidary和Hemani [1]采用拉格朗日動力學(xué)理論推導(dǎo)出的線性化的雙足機器人數(shù)學(xué)模型來分析其穩(wěn)定性，可操作性，和可觀察性。1980年，Miyazaki和Arimoto [2] 應(yīng)用奇攝動法將雙足機器人的快速模式和慢速模式的動力學(xué)行為進行分類，然后他們在此方法的基礎(chǔ)上設(shè)計的控制器。1986年，Railbert出版了他的著作《步行機器人的平衡》，這對單足，雙足和四足油壓機器人的研究作出了卓越貢獻。雙足機器人結(jié)合不同學(xué)科的研究，如機械學(xué)，電子工程，控制工程，生物工程和機器人技術(shù)。主要研究內(nèi)容包括腿部機制的設(shè)計，步態(tài)規(guī)劃，步行跟蹤和平衡控制理論。Hira [3]設(shè)計的全負荷二自由度雙足機器人，該機器人是由一個骨架和兩個延伸腳。它的機械系統(tǒng)有4個自由度，2個旋轉(zhuǎn)和2個移動自由度，減去2個限制自由度，兩足的總長度是一個常數(shù)。骨架存放在兩腿之間的中心。為了防止它傾倒，機器人的腿和腳安裝垂直于地面。從側(cè)面看，它就像3連桿的運動。因此，雙足機器人能夠在地面上直立行走。日本本田的第一代機器人是由本田R&D中心[3]研發(fā)。

該機器人沒有身體，只有一個連接手臂的懸空骨架。這個雙足機器人有12個自由度，包括3個髖關(guān)節(jié)自由度，1個膝關(guān)節(jié)自由度，2個踝關(guān)節(jié)自由度，從正面看有5聯(lián)接4自由度，從側(cè)面看有7聯(lián)接6自由度。兩腿的重量大約只有總重量5-10％。如果裝載的手臂對平衡沒有影響，并且兩個手臂重量占總重量的比重小，那么機器人將可以步行上下樓梯，在斜度小于10度的斜面上前進或者后退。在成功操作機器人移動或者將物品從一個地方搬運到另一個地方之前，必須要跟隨一種運動軌道。有幾種方法來生成行走軌道，一種是通過觀察真人的步態(tài)，而另一種通過即時計算。1970年，Vukobratovic等人，通過數(shù)值方法計算雙足機器人的動態(tài)移動路徑，Kato通過相同的方法得出了他的雙足機器人的動態(tài)移動路徑，然而，當(dāng)機器人移動時，它需要較長的時間來計算所涉及到的軌跡，而且這很難適應(yīng)不同的表面。除非CPU可以更快或簡化算法，數(shù)值方法仍然有計算緩慢的問題，其他的方法來生成行走軌道包括輸入最小能量，用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳法則。

機器人的手臂自由度取決于機器人的類型，靈活性可以像人類的手臂一樣。機器人手臂運動學(xué)是關(guān)于機器人手臂在一段時間內(nèi)相對于固定坐標(biāo)系的運動。在傳統(tǒng)的分析中，機器人的底部被當(dāng)作一個參考點，其他運動必須以該參考點為基礎(chǔ)。一旦我們知道機器人手臂上所有聯(lián)結(jié)點的位置，我們可以計算出手臂端部在空間的確切位置。現(xiàn)代商業(yè)機器人配備了混合旋轉(zhuǎn)和滑動節(jié)點來與手臂或機器人手腕部分相連。旋轉(zhuǎn)結(jié)點控制了兩個連桿精確的角度運動，滑動結(jié)點僅控制兩個連桿的線性運動。從理論上講，其他的連接關(guān)系是可能的，然而，事實上只采用這兩個連接。連桿和結(jié)點的串行聯(lián)結(jié)叫做鏈，鏈可以打開或關(guān)閉。每一個鏈末端的連桿只連接一個結(jié)點，一個開式鏈指不連接靠近底部的連桿，相反一個閉合鏈指連接在前結(jié)點的連桿。現(xiàn)代工業(yè)機器人的主要類型是開式鏈。分析和控制機器人的手臂需要分析控制理論的發(fā)展。一個擁有多個結(jié)點的手臂被相互作用的內(nèi)力和外部環(huán)境所影響，需要更加復(fù)雜的分析，Paul在同質(zhì)變換矩陣方法和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的研究對機器人運動的分析是有益的參考。給定一個較大的模型或一個復(fù)雜的生物系統(tǒng)，人們通常面臨的問題是需要對很多的參數(shù)進行調(diào)整。參數(shù)之間的廣泛因素的相互作用，使得對模型的動態(tài)行為分析變得困難，參數(shù)的含義和值有助于克服這個問題。在這里，我們可以使用一個漸進的實驗技術(shù)（稱為偵察）去自主探索參數(shù)空間。這是一種自主探測技術(shù)，它使用理論值和實驗值之間的偏差作為合適的估算值。為了獲得大的動態(tài)生物學(xué)模型的運動信息，這種方法已被廣泛應(yīng)用。

對于建立多種功能的四足機器人平臺要結(jié)合不同的學(xué)科，如機械力學(xué)，電子工程，控制工程，生物工程和機器人技術(shù)等。影響設(shè)計四足機器人的因素中，首先要探討腿部機制的設(shè)計，步態(tài)規(guī)劃，路徑跟蹤，平衡控制理論。本研究采用程序語言去設(shè)計一切與構(gòu)建多種功能的四足機器人平臺有關(guān)的步態(tài)運動，編輯整合之后，加載所有運動到機器人的內(nèi)部存儲器，另外，這項研究結(jié)合了一種可靠的低成本的電路程序，用以減少發(fā)展四足機器人的障礙，并鼓勵作進一步的研究。我們還開發(fā)了外部控制連接接口來加載不同的傳感器到機器人上，此外1.2GHz的無線圖像傳輸系統(tǒng)安裝在機器人上為用戶提供了實時監(jiān)測功能，最后，機器人加載無線通信模塊，該模塊的開發(fā)有利于改善機器人的靈活性，并有效的降低開發(fā)成本。這樣新模塊在設(shè)計和執(zhí)行機器人的特殊運動時將縮短發(fā)展過程大大降低機器人成本。2.研究方法 2.1.文件分析

收集所有涉及步行機器人的文獻和數(shù)據(jù)篩選出制造步行機器人的相關(guān)理論。2.2.理論分析

在正式執(zhí)行之前，對步行機器人的運動作理論分析，這包括分析機器人的重心，電機的運轉(zhuǎn)方向，角度和旋轉(zhuǎn)速度。在實際執(zhí)行之前必須要有理論上的可行性。2.3.模塊理論

在這項研究中，四足機器人的所有功能被分為五個模塊來執(zhí)行和監(jiān)測。當(dāng)所有功能運作時這些模塊連接在一起，這種方法不僅簡化了開發(fā)了過程，而且會導(dǎo)致調(diào)試更加簡便。此外，它大大改善了機器人的生產(chǎn)。下面來描述這五個模塊： a）控制模塊接口和電路設(shè)計； b）機器人身體模塊——發(fā)動機機構(gòu)；

c）視覺系統(tǒng)模塊——1.2G電磁耦合圖像傳輸系統(tǒng)； d）無線通信模塊——2.4GHz射頻通信模塊或GSM模塊;e）傳感器：紅外傳感器，二氧化碳傳感器，溫度和濕度傳感器等。2.4.測試理論

該方法包括發(fā)展四足機器人的不同步行運動和節(jié)省內(nèi)存消耗，用戶通過無線通信模塊遠程控制機器人并且通過視覺系統(tǒng)觀測實時圖像。最后，裝在機器人上的傳感器收集外部數(shù)據(jù)利用通信模塊向用戶報告。2.5.四足機器人的運動分析

在這項研究中，四足機器人的運動學(xué)，動力學(xué)和靜力平衡將被使用。D30 ——高達31種智能電動機用來控制。位置代碼：0-254（位置）

結(jié)束代碼：（電動機轉(zhuǎn)速串行代碼XOR位置代碼）0*7F

圖2顯示了串行控制示范。

圖二：串行控制的示范 3.6.完整系統(tǒng)四足機器人的基本結(jié)構(gòu)

控制端（PC和單片機）能夠同時控制多達31個智能電機，采用串行傳輸，控制端驅(qū)動電機移動到目標(biāo)角度，利用電動機之間的數(shù)據(jù)傳輸，控制端能夠控制和連接電機。在這項研究中四足機器人的設(shè)計分為三部分，第一部分是基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計，包括14個電機的連接，電機連接組件和四足機器人的外形。第二部分是有關(guān)控制器的設(shè)計，包括固件設(shè)計（用KeilC語言在微處理器中程序控制），硬件設(shè)計（簡單的控制電路），以及軟件設(shè)計（用VB語言進行人機交換）。最后一部分是外部硬件集成，包括兩重半雙工無線通信模塊，1.2GHz的無線圖像傳輸系統(tǒng)和傳感器。三個部分綜合，四足機器人的原型就設(shè)計完成了。圖3顯示了完整系統(tǒng)四足機器人的基本結(jié)構(gòu)。

圖三：完整系統(tǒng)四足機器人的基本結(jié)構(gòu) 3.7.設(shè)計和執(zhí)行四足機器人的硬件控制電路

圖4顯示了設(shè)計和執(zhí)行四足機器人的硬件控制電路，硬件設(shè)計集成了微控制器（來自ATMEL公司的AT89S52芯片），內(nèi)存（四足機器人運動命令的存儲空間），電源模塊（提供電機和電路所需的電源），智能電機的控制接口（連續(xù)傳輸?shù)碾姍C控制），無線通信接口（2.4GHz射頻無線通信模塊），接受來自外部傳感器的數(shù)據(jù)連接引腳，用于連接到電腦，下載運動命令的PC端通信接口，以及用來切換不同控制模式的旋轉(zhuǎn)開關(guān)。結(jié)合上述電路，就完成了機器人的控制功能。

圖四：設(shè)計和執(zhí)行硬件控制電路 3.8.四足機器人的路徑規(guī)劃

為了讓四足機器人平穩(wěn)的移動，四足機器人的運動曲線被用來解釋它如何運動，相應(yīng)的程序如圖5。在這項研究中，運動學(xué)，動力學(xué)和四足機器人的靜力平衡將被使用。DH的坐標(biāo)系中用連接軸來描述。當(dāng)每個關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度已知，機器人的關(guān)節(jié)在坐標(biāo)系中的位置矢量能夠通過矩陣變換計算得出，通過求解矩陣，可以獲得運動學(xué)的解決方法，然后用幾何學(xué)推倒出逆運動。如果四足機器人的位置和連接軸的長度已知，有必要用運動學(xué)反解來得出每個連接軸的角度。

圖五：機器人運動的程序研究 3.9.四足機器人的身體模塊

在這項研究中，14個智能電機被用來作為四足機器人的主要動力，在頭部和頸部有一個單獨的電機，四個腳上各有3個電機。通過連接電機的附件，單個的鋁芯片，銅柱子，就完成了四足機器人原型。裝載以前的硬件電路和所有運動程序（前進，后退，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)，坐下，跌倒后自動站起來）后，包括留在內(nèi)存中的運動，機器人能夠完成機構(gòu)范圍內(nèi)的所有運動。四足機器人的身體模塊如圖6所示。

圖六：四足機器人的身體模塊 3.10.四足機器人的視覺系統(tǒng)模塊

外部1.2GHz的無線圖像傳輸模塊通過USB轉(zhuǎn)換接口將圖像傳輸進PC端，用戶甚至可以用錄像功能將目標(biāo)圖像保存為AVI（MPEG-4）格式。

3.11.四足機器人的無線通訊模塊

在這項研究中用到的2.4GHz射頻無線通信模塊具有nRF2401的單片機和2.4GHz無線收發(fā)器，采用半雙工交流來雙重傳回數(shù)據(jù)。只要2.4GHz無線通信模塊在運作，發(fā)射機的功率燈就一直亮著。當(dāng)按下任何控制鍵，由于數(shù)據(jù)的傳輸將會亮，此時，控制按鈕可以用來驅(qū)動四足機器人的運動。當(dāng)傳感器接收到返回數(shù)據(jù)時，燈變亮并顯示傳感器的狀態(tài)。如果沒有按下控制鍵，發(fā)射器和接收器保持通信連接來提供雙/半雙工功能。用GSM通信模塊，用戶可以使用手機遠程控制機器人。當(dāng)用戶按下了移動電話的按鈕傳送信號到GSM模塊，機器人的微控制器解碼信號然后機器人移動，接著控制器發(fā)送AT命令，并與GSM模塊通信得到傳感器的狀態(tài)報告。

本研究使用紅外接收器模塊來作為監(jiān)測裝置。該傳感器隨著溫度的變化而產(chǎn)生電荷，因為它是熱電紅外接收器。接收器的溫度范圍為-10和+50℃，直流電壓范圍為3至15V。通過擴大探測器的輸出，經(jīng)過電壓比較器電路的傳遞，接收器可以監(jiān)測到人體。傳感器接受所有發(fā)熱物體發(fā)出的紅外線，包括人體。當(dāng)沒有監(jiān)測到發(fā)熱物體的運動，傳感器的輸出為0V。當(dāng)監(jiān)測到發(fā)熱物體，傳感器的輸出為5V。機器人通過分析傳感器的輸出監(jiān)測發(fā)熱物體，并將結(jié)果通過2.4GHz的射頻無線通信模塊傳回給用戶。這項研究將開發(fā)可擴展的連接電路，當(dāng)用戶將不同的傳感器連接到儀器板，物體被監(jiān)測到時儀器板上會輸出一個5V電壓，控制器立即將返回的信號實時報告給用戶。3.12.四足機器人模塊

上述圖像的上半部分顯示了1.2GHz的射頻無線圖像傳輸模塊的鏡頭。四足機器人可以為用戶端提供從鏡頭捕獲的圖像，通過控制在頸部和頭部的電動機的運動，機器人可以移動鏡頭的位置并鎖定觀測圖像，紅外傳感器位于頸部的電機上方的乳白色半圓頂，是人體探測器。控制器分為兩個部分，上半部分是2.4GHz射頻無線通信模塊，用來接受用戶的命令和傳回檢測信號，下半部分是控制機器人運動的控制模塊。控制器下方是8.4 V，2000 mAH的鋰電池，這種電池完全支持四足機器人的電力需求。圖7顯示了四足機器人的整體設(shè)計。

圖七：四足機器人的整體設(shè)計 4.結(jié)論

多種功能的四足機器人平臺的主要設(shè)計概念是基于固定硬件的規(guī)格與不同傳感器的組合，用來滿足不同情況下的特別要求。因此，不需要因特別需求而開發(fā)新的機器人。另外，這項決議減少了開發(fā)成本和時間，隨著機器人的傳感器格式而重新設(shè)計傳感器，用戶可以在短時間內(nèi)改變機器人的固件。通過改變模塊，四足機器人能夠擴展功能，用以監(jiān)測，掃描，援救，監(jiān)視甚至家庭護理，它的遙控功能增強了機器人與人的互動，并有可能大大改善人們的生活。在研究中固件改變這一觀念將是機器人發(fā)展的主要方向之一，這一概念不僅降低了開發(fā)成本，而且使廉價多功能機器人成為可能，這將大大有利于在未來發(fā)展和傳播機器人。多功能四足機器人平臺的確立將為工業(yè)機器人的設(shè)計和生產(chǎn)提供多種選擇。在工程制造領(lǐng)域，我們可以設(shè)想四足機器人將適用于今后不同的應(yīng)用，工業(yè)機器人的應(yīng)用前景將取決于制定四足機器人規(guī)范的實際需求。鳴謝

這項研究是由美國國家科學(xué)理事會支持，根據(jù)合同96-2622-E-152-001-CC3 和 96-2411-H-152-003.參考書目

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第五篇：四足機器人的動力學(xué)分析與仿真

四足機器人的動力學(xué)分析與仿真

張錦榮1，王潤孝2

（1長安大學(xué)，西安 710064，2西北工業(yè)大學(xué)，西安 710072）

摘 要: 針對四足機器人的結(jié)構(gòu)特點，利用拉格朗日法導(dǎo)出其簡化結(jié)構(gòu)多剛體系統(tǒng)的動力學(xué)方程組。同時利用ADAMS建立了四足機器人的虛擬樣機，采用規(guī)劃好的步態(tài)，對其進行動力學(xué)仿真，仿真結(jié)果驗證了動力學(xué)數(shù)學(xué)建模的正確性及結(jié)構(gòu)設(shè)計的可行性，為提升控制品質(zhì)的后續(xù)研究工作提供有價值的數(shù)據(jù)信息。關(guān)鍵詞：四足機器人；動力學(xué)；仿真

Dynamic analysis and simulation on quadruped robot

Zhang Jinrong1，Wang Runxiao2

(Chang'an University，Xi an 7100764；Northwestern Polytechnical University，Xi an 710072)Abstract: Based on the structural characteristics of quadruped robot, dynamic equation group for simplified-structure of the quadruped robot’s multi-rigid body system is educed using Lagrange principle.A virtual prototypes is established using ADAMS, and simulated in using its planned gait.Simulation results tested the exactness of dynamics model and the rationality of structure design as well as provide valuable data information for further research on improving control quality of the quadruped robot.Key word: quadruped robot;dynamics;simulation

與傳統(tǒng)的輪式、履帶式機器人相比，四足機器人有很強的環(huán)境適應(yīng)性和運動靈活性，既可以進入相對狹窄的空間，也可以跨越障礙、上下臺階、上下斜坡甚至在不平整地面上運動，因此，對四足機器人的研究已成為機器人研究領(lǐng)域的重要課題。

四足機器人是主動機械裝置，每個關(guān)節(jié)可單獨傳動。從控制理論的觀點來看，機器人系統(tǒng)是個復(fù)雜的動力學(xué)耦合系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型具有顯著的非線性和復(fù)雜性，而動力學(xué)問題又是實現(xiàn)高精度控制與機械設(shè)計的基礎(chǔ)。[1] [2]本文以四足機器人為研究對象，對其進行了動力學(xué)建模與仿真，為后續(xù)機器人的控制算法提供了數(shù)學(xué)模型，也為機器人的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與關(guān)節(jié)驅(qū)動電機、減速器的選型等提供理論依據(jù)。四足機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

四足哺乳類動物的每條腿由五段組成，通過與軀干的連接構(gòu)成五個關(guān)節(jié)，每個關(guān)節(jié)至少有一個自由度，這種超冗余自由度使動物的運動極其靈活。但是，在四足機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，為了降低控制的復(fù)雜程度，它的腿部不可能像動物那樣具有五段和超冗余自由度。[3]在力求達到機器人運動的靈活性的前提下，對機器人的肢體結(jié)構(gòu)進行合理簡化，如圖1所示，腿部結(jié)構(gòu)包括側(cè)擺、大腿、小腿三部分，這三部分由直流電機帶動其繞各自關(guān)節(jié)軸擺動，形成側(cè)擺、髖和膝關(guān)節(jié)，其關(guān)節(jié)配置形式為全肘式，即前后兩對腿全部為肘式關(guān)節(jié)。由于它的每條腿有三個自由度，所以理論上能同時滿足空間三個方向的自由度要求。

(a)結(jié)構(gòu)簡圖

(b)機械結(jié)構(gòu)

圖1

四足機器人結(jié)構(gòu) 四足機器人的動力學(xué)建模

機器人動力學(xué)分析常用的方法有牛頓－歐拉方程和拉格朗日法。拉格朗日法是一種功能平衡法，它只需要速度而不必求內(nèi)作用力，是一種直截了當(dāng)和簡便的方法。本文利用拉格朗日法來分析和求解了三自由度步行足的動力學(xué)方程。

四足機器人的肢體結(jié)構(gòu)如圖2所示，側(cè)擺關(guān)節(jié)在YOZ平面轉(zhuǎn)動，m1、m2和m3分別為側(cè)擺、大腿和小腿的質(zhì)量，且以腿末端的點質(zhì)量表示，?

1、?2和?3是關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角，g為重力加速度。

圖2 四足機器人的肢體結(jié)構(gòu) 機械系統(tǒng)的拉格朗日動力學(xué)方程[3]為

Ti?d?EK?EK?EP??

（1）?idt?q?qi?qi?i為式（1）中，EK為系統(tǒng)的總動能，EP為系統(tǒng)的總勢能，qi是為關(guān)節(jié)的角度坐標(biāo)，q關(guān)節(jié)的角速度，Ti稱為關(guān)節(jié)力矩。桿件i質(zhì)心的線速度和角速度可表示成：

iii?1???JLi?i?JL?

（2）qq

vi?JL1q

?1???JAiq?i?JAq?

（3）

ωi?JA1q

式（2）、式（3）中JLi和JAi分別是與第i個連桿重心位置的平移速度和轉(zhuǎn)動速度相關(guān)的雅可比矩陣，則：

iii1n(i)T(i)?TJL?

（4）JLq系統(tǒng)的平動動能

EK1??miq

2i?11nT(i)T(i)?JAIiJAq?

（5）系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動動能

EK2??q 2i?1系統(tǒng)的總動能為平動動能和轉(zhuǎn)動動能之和，為

1n(i)T(i)(i)T(i)?TJL??q?TJA?)

JLqIiJAq

EK?EK1?EK2??(miq2i?11T?Hq?

（6）

?q 2式（6）中H由公式（7）獲得

H?系統(tǒng)的總勢能為：

?(mJii?1n(i)TL(i)(i)T(i)JL?JAIiJA)

（7）

Ep??migTr0,i

（8）

i?1n式（8）式中的r0,i是第i根桿件的質(zhì)心在參考坐標(biāo)系中的位置 由（1）、（6）、（8）式，得各關(guān)節(jié)力矩

Ti??Hj?1nijj??j???hijkq?jq?k??mjgTJLiq

（9）

j?1k?1j?1nnnhijk?式（9）中，?Hij?qk?0.5?Hjk?qi

（10）模型的仿真驗證

ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System）是集建模、求解、可視化技術(shù)于一體的虛擬樣機軟件，是目前世界上使用最廣、最負盛名的機械系統(tǒng)仿真分析軟件。1）ADAMS仿真模型等效轉(zhuǎn)換

ADAMS軟件雖然可以實現(xiàn)機械系統(tǒng)的建模過程,但軟件所提供的建模工具相對比較簡單,對于復(fù)雜的機械統(tǒng),仍需依靠SolidWorks、Pro/E等三維實體造型軟件。

為了減少仿真的困難，本文根據(jù)各個部件的實際情況，對一些附加零件進行簡化，簡化為由數(shù)個剛體組成的剛體模型，同時注意盡量保持跟實物相近的幾何外觀。簡化這些附加零件的辦法是在用Solidworks軟件建立好的完整模型中加入各種零件的材料密度或重心、轉(zhuǎn)動慣量的物理參數(shù)，再根據(jù)剛體的實體體積，折算出相應(yīng)的密度，再將這些物理參數(shù)加到簡化后的模型上。最后將簡化后的裝配 體導(dǎo)入ADAMS。

2）施加運動約束、驅(qū)動與作用力

側(cè)擺、膝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)分別用旋轉(zhuǎn)約束副約束，方向與系統(tǒng)實際運動保持一致。四足機器人在爬坡或遇到障礙時，各腿的側(cè)擺關(guān)節(jié)起到調(diào)節(jié)機體平衡的作用，為了驗證四足機器人在平坦路面行走的動力學(xué)特性，假設(shè)側(cè)擺關(guān)節(jié)固定，其余關(guān)節(jié)采用符合四足哺乳動物肢體運動關(guān)系的正弦函數(shù)和半波函數(shù)驅(qū)動。另外，在建立仿真模型時，還做了如下假設(shè)：足與地面的摩擦力無窮大，在行走過程中，支撐腿的足端與地面沒有滑動；驅(qū)動功率滿足要求；不考慮關(guān)節(jié)摩擦。虛擬樣機模型如圖3所示。

圖3 ADAMS/View中的虛擬樣機模型

3）仿真結(jié)果

對于trot步態(tài)[4]，即兩對對角腿的運動完全對稱，選擇右前腿和左后腿這一對角腿為例進行分析，它們的髖、膝關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩如圖（4）~（7）所示。

圖4 右前腿髖關(guān)節(jié)力矩與關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角

圖5 右前腿膝關(guān)節(jié)力矩與關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角

圖6 左后腿髖關(guān)節(jié)力矩與關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角

圖7 左后腿膝關(guān)節(jié)力矩與關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角

從圖（4）~（7）還可以得出如下分析結(jié)果：髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的驅(qū)動力在支撐相時大于擺動相；除雅可比奇異狀態(tài)（擺動相的末端點，J?0，仿真圖上出現(xiàn)力矩的突變）以外，髖關(guān)節(jié)的驅(qū)動力矩主要集中在25N?M的范圍內(nèi)，膝關(guān)節(jié)的驅(qū)動力矩主要集中在50N?M的范圍內(nèi)。此外，從拉格朗日動力學(xué)方程可以看出，在模型結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的前提下，驅(qū)動力矩與角加速度、角速度有復(fù)雜的非線性關(guān)系，仿真結(jié)果也驗證了這一點。結(jié)論

1）應(yīng)用拉格朗日動力學(xué)理論建立了四足機器人的動力學(xué)模型，為后續(xù)機器人的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù)和為機器人的控制算法提供了數(shù)學(xué)模型。

2）利用先進的動力學(xué)仿真軟件建立了四足機器人虛擬樣機，通過動力學(xué)仿真得出各腿髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的驅(qū)動力矩，仿真結(jié)果可以為關(guān)節(jié)驅(qū)動電機和減速器的選型等提供依據(jù)，同時也驗證了數(shù)學(xué)建模的正確性與結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。

參考文獻

[1]洪嘉振著.計算多體系統(tǒng)動力學(xué).北京:高等教育出版社，2003.[2][德]J.維滕伯格著,謝傳鋒譯.多剛體系統(tǒng)動力學(xué).北京:北京航空學(xué)院出版社，1986.[3]王沫楠.基于ADAMS軟件兩棲仿生機器蟹的動力學(xué)建模與仿真[J]．哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2003，4 [4]張秀麗．四足機器人節(jié)律運動及環(huán)境適應(yīng)性的生物控制研究[M]．清華大學(xué)，2004