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1、第201346年卷第1月1期機(jī)器人ROBOTVbJ1-36．NO．1an．，2014DoI：10．3724／SRJ．1218．2014．00021四足仿生機(jī)器人單腿系統(tǒng)李滿天，蔣振宇，郭偉，孫立寧(哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱150080)摘要：為實(shí)現(xiàn)四足仿生機(jī)器人動(dòng)步態(tài)行走，設(shè)計(jì)一款基于液壓驅(qū)動(dòng)方式的機(jī)器人仿生單腿系統(tǒng)．首先，在四足哺乳動(dòng)物肌肉一骨骼結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，確定了機(jī)器人單腿的自由度配置；其次，通過機(jī)器人在平坦路面上的行走運(yùn)動(dòng)仿真，獲得關(guān)節(jié)輸出特性；隨后，在仿真研究
2、的基礎(chǔ)上，完成了關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、液壓驅(qū)動(dòng)器選型、4自由度單腿設(shè)計(jì)以及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)；最后，搭建單腿子系統(tǒng)性能測試平臺(tái)，并完成了單腿縱向彈跳實(shí)驗(yàn)．彈跳實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性和相關(guān)控制算法的有效性．關(guān)鍵詞：四足機(jī)器人；液壓驅(qū)動(dòng)；仿生設(shè)計(jì)中圖分類號：TP182文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號：1002—0446(2014)一01—0021—08LegPrototypeofaBio-inspiredQuadrupedRobotLIMantian，JIANGZhenyu，GUOWei，SUNLining(S
3、tateKeyLaboratoryofRoboticsandSystem，HarbinInstituteofTechnology，Harbin150080，China)Abstract：Torealizethedynamicrunningofquadrupedrobots，abio—inspiredhoppinglegprototypebasedonhydraulicactuationisdeveloped．Firstly，theDOF(degreeoffreedom)configurationofaro
4、botlegisdiscussedaccordingtotheanatomicanalysisofquadrupedmammals．Secondly，thetrottingsimulationonflatterrainiScarriedouttoobtainthetorqueoutputcharacteristicsofjoints．Thirdly,thehydraulicactuators，jointdrivermechanismandthe4DOFlegprototypearedesignedbase
5、dontheanalysisofsimulationresults，aswellasthecontrolsystem．Atlast，thetestbenchforthelegprototypeisconstructedtOtesttheperformanceoftheleginverticalhoppingexperiments，inwhichthevalidityofthemechanicalandcontrolsystemdesignandthealgorithmsareverifiedKeyword
6、s：quadrupedrobot；hydraulicactuation；bio—inspireddesign1引言(Introduction)足、雙足和四足等直腿足式機(jī)器人的跑跳運(yùn)動(dòng)，其中的腿部氣缸為彈性阻尼元件[2-41．此后，SOUT、四足哺乳動(dòng)物在進(jìn)化過程中，分化出體型不KOLT等以動(dòng)步態(tài)為主要運(yùn)動(dòng)方式的四足機(jī)器人紛同、形態(tài)各異和運(yùn)動(dòng)形式多樣的各種類別．仿照生物開發(fā)的足式機(jī)器人以其獨(dú)特的運(yùn)動(dòng)形式和控制方紛問世[5-121．為了追求更高的動(dòng)態(tài)性能，很多學(xué)者法，以及野外復(fù)雜環(huán)境下的應(yīng)用潛力而成為機(jī)器人從
7、帶有彈性元件的單腿系統(tǒng)入手開展四足機(jī)器人研研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)Il1．學(xué)者在開發(fā)四足仿生機(jī)器人的究．Kim和Lewis則仿照獵豹運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，開發(fā)了兩過程中，因研究目標(biāo)、控制算法的不同，對機(jī)器人款針對高速奔跑運(yùn)動(dòng)的單腿系統(tǒng)[13-14]．國內(nèi)也對四本體結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)方式等有不同的考慮．而單腿系統(tǒng)足機(jī)器人的單腿系統(tǒng)和單足彈跳機(jī)器人開展了相關(guān)不僅是決定機(jī)器人運(yùn)動(dòng)能力的關(guān)鍵因素，也是整機(jī)研究[15-17]．近年來，液壓驅(qū)動(dòng)器因其出力大、重量開發(fā)過程中重要的前期研究平臺(tái)，為此國內(nèi)外學(xué)者輕等原因在以BigDog為代表的四足機(jī)器人
8、上得到也對機(jī)器人單腿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制方法給予了充分廣泛應(yīng)用．Semini等人在開發(fā)液壓驅(qū)動(dòng)的四足仿生關(guān)注．機(jī)器人HyQ之前，對其單腿系統(tǒng)設(shè)計(jì)和彈跳實(shí)驗(yàn)Raibert于20世紀(jì)80年代在分析彈簧負(fù)載倒做了相關(guān)研究[11-121．立擺(SLIP)動(dòng)力學(xué)特性的基礎(chǔ)上，先后實(shí)現(xiàn)了單在機(jī)器人動(dòng)步態(tài)行走過程中，機(jī)身運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的基金項(xiàng)目：國家863計(jì)劃資助項(xiàng)目(2011AA040701)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61005076，61175
