四足仿生机器人单腿系统.pdf

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1、第201346年卷第1月1期机器人ROBOTVbJ1-36．NO．1an．，2014DoI：10．3724／SRJ．1218．2014．00021四足仿生机器人单腿系统李满天，蒋振宇，郭伟，孙立宁(哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室，黑龙江哈尔滨150080)摘要：为实现四足仿生机器人动步态行走，设计一款基于液压驱动方式的机器人仿生单腿系统．首先，在四足哺乳动物肌肉一骨骼结构分析的基础上，确定了机器人单腿的自由度配置；其次，通过机器人在平坦路面上的行走运动仿真，获得关节输出特性；随后，在仿真研究

2、的基础上，完成了关节驱动机构设计、液压驱动器选型、4自由度单腿设计以及控制系统设计；最后，搭建单腿子系统性能测试平台，并完成了单腿纵向弹跳实验．弹跳实验验证了机械结构和控制系统设计的正确性和相关控制算法的有效性．关键词：四足机器人；液压驱动；仿生设计中图分类号：TP182文献标识码：A文章编号：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、双足和四足等直腿足式机器人的跑跳运动，其中的腿部气缸为弹性阻尼元件[2-41．此后，SOUT、四足哺乳动物在进化过程中，分化出体型不KOLT等以动步态为主要运动方式的四足机器人纷同、形态各异和运动形式多样的各种类别．仿照生物开发的足式机器人以其独特的运动形式和控制方纷问世[5-121．为了追求更高的动态性能，很多学者法，以及野外复杂环境下的应用潜力而成为机器人从

7、带有弹性元件的单腿系统入手开展四足机器人研研究领域的热点Il1．学者在开发四足仿生机器人的究．Kim和Lewis则仿照猎豹运动特点，开发了两过程中，因研究目标、控制算法的不同，对机器人款针对高速奔跑运动的单腿系统[13-14]．国内也对四本体结构、驱动方式等有不同的考虑．而单腿系统足机器人的单腿系统和单足弹跳机器人开展了相关不仅是决定机器人运动能力的关键因素，也是整机研究[15-17]．近年来，液压驱动器因其出力大、重量开发过程中重要的前期研究平台，为此国内外学者轻等原因在以BigDog为代表的四足机器人

8、上得到也对机器人单腿的结构设计和控制方法给予了充分广泛应用．Semini等人在开发液压驱动的四足仿生关注．机器人HyQ之前，对其单腿系统设计和弹跳实验Raibert于20世纪80年代在分析弹簧负载倒做了相关研究[11-121．立摆(SLIP)动力学特性的基础上，先后实现了单在机器人动步态行走过程中，机身运动产生的基金项目：国家863计划资助项目(2011AA040701)；国家自然科学基金资助项目(61005076，61175