四足仿生机器人详解

四足仿生机器人国外研究现状
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典型样机（机械机构特点） 单自由度旋转关节模块
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典型四足步行机器人
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1、引言
传统的步行机器人设计往往是一个很复杂的过程，为了 达到设想的运动方式，就要进行复杂的结构设计和规划工 作。而仿生学在机器人领域的应用，使得这一工作得到了 简化。动物的身体结构，运动方式，自由度分配和关节的 布置，为步行机器人的设计提供了很好的借鉴。
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3、BigDog
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4、PIGORASS
2011年，东京大学的保典 山田等研制出了一种机器人 “PIGORASS”，它能实现类 似于兔子的运动，能走，能跑 并能完成兔子跳的运动。它是 通过CPU控制的压力传感器和 电位器实现预期的运动，并且 每个肢体都被设计成独立运作 ，都通过一个简单的仿生中枢 神经系统来工作。
如图所示。LittleDog 有四条腿，每条腿有 3 个驱动器，具有
很大的工作空间。携带的 PC 控制器可以实现感知、电机控
制和通信功能。LittleDog 的传感器可以测量关节转角、电机
电流、躯体方位和地面接触信息。铿聚合物电池可以保证
LittleDog 有 30 分钟的运动，无线通信和数据传输支持遥控
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混合驱动.器
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若完全仿照动物结构进行设计，会使工作量加大，设 计复杂。所以通常腿部结构选择1-3个关节，每个关节1-3 个自由度。
步行机器人关节的布置一般有四类：
a、四条腿为肘关节类型布置 b、四条腿为膝关节型布置
c、前两条腿为膝关节类型，后两条腿为肘关节类型
d、前两条腿围肘关节类型，后两. 条腿为膝关节类型
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实验
行走步态，姿态很低为了保持较高的速度与稳定性。
Pace gait（单侧同步步态），姿态. 会发生偏移，向两边摆动。14 60cm用时0.9s。
虽然目前机器人研究已经取得了很大的进步，比如机器人 运动过程中实现准确的控制，机器人能适应不同的地面状况作 运动。但是，要实现高速运动仍是步行机器人研究领域中的一 个难题，因为要实现这样的运动，机器人的机械结构、控制方 法设计毕然与传统的机器人不同，并且要考虑多种因素。
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7、猎豹机器人
2011年，美国加州HRL实验室的M. Anthony Lewisyan和 Matthew R. Bunting等人提出一种仿猎豹的腿部机构。机构的 关键是设计的前置能产生身体重量1.5倍的能量，从而达到类 似猎豹的运动状态，同时保证运动控制准确性。
混合驱动器 蛤蛎壳材料
气动驱动器 电机
操作和分析。
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3、BigDog
波士顿动力学工程公 司还于 2005 年开发了形 似机械狗的四足机器人， 被命名为 BigDog，如图 所示。专门为美国军队 研究设计，号称是世界 上最先进的四足机器人。 Boston Dynamics 公司 曾测试过，它能够在战 场上发挥重要作用为士 兵运送弹药、食物和其 他物品。
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陆地上，速度最快的动物要属猎豹了，虽然目前有很多 研究者对狗与马的仿生研究有了很大的进展，但是有关猎豹 的报道并不多。猎豹奔跑速度一般可达30m/s，一秒跨过距 离是腿长的50倍，奔跑频率更是达到了3hz。所以，以猎豹 为仿生对象显得很有意义。
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猎豹奔跑时，足末端运动 轨迹类似一个弧形的旋转运动 。奔跑过程中是前脚先着地， 并且前肢通常能使出2.5倍体重 的力量，后肢能使出1.5倍体重 的力量。力量越大，跳出的步 幅也就越大，奔跑速度也就变 快了。通常，能量储存的位置 为腿下部位置，像在髋关节几 乎就没有能量的存储。
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6、Cheetah
2008年，瑞士洛桑理工大学 的Simon Rutishauser, Alexander 等研制出一种新型四足步行机器 人，“Cheetah”。它是以豹来 作为仿生对象的，每条腿有两个 自由度，分别位于髋关节和膝关 节。膝关节和髋关节可以使用近 端安装RC伺服电机进行驱动。 图中可看出，对于膝关节的驱动 力是通过钢丝装置来实现的。
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6、Cheetah
该结构中，前两条腿 比后两条腿要短20%，目 的是避免在迈大步距角的 时候出现腿相碰撞的情况 。腿的末端采用受电弓机 构的形式（其作用是使腿 的最上、最下部分运动一 致，同时减少自由度数目 ，简化设计）。末端出的 弹簧装置在腿落地与离地 时分别起到储能、减小触 地影响，释放能量的作用 。
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5、HUNTER
2010年，韩国汉阳大学的Jang Seob Kim and Jong Hyeon Park 研制成功了一种四足步行机器人“HUNTER”。它的每条腿都有 三个主动关节，两个带被动关节。它的结构参照四足动物狗来进 行设计的。被动关节被设计用来减少腿着地时受地面的影响，通 过弹性装置，能量就可以储存与再利用。
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1.日本Tekken
Tekkn整个机体的重量是3.1kg，单个腿的重量0.5kg。 每条腿有3个主动关和一个被动关节，分别是一个pitch髋关 节、yaw髋关节和pitch膝关节，踝关节是被动关节，主要由 弹性装置和自锁装置构成。
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2、Little Dog
2004 年 Boston Dynamics 发布了四足机器人LittleDog，
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1.日本Tekken
2003 年日本电气通信大学的 木村浩等研制成功四足移动 机器人Tekken，如图所示。 该机器人安装了陀螺仪、倾 角计和触觉传感器。采用基 于中枢模式发生器(CPG)的控 制器和反射机制构成控制系 统，其中CPG 用于生成机体 和四条腿的节律运动，而反 射机制通过传感器信号的反 馈，来改变 CPG 的周期和相 位输出，Tekken 能适应中等 不规则地面环境。
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7、猎豹机器人
该装置通过电动机来调整位置进行控制，从气体驱动器给 机构注入能量来完成奔跑、小跑等步态。
动物腿部的肌肉连接着两个 关节，奔跑时，当一个关节处收 缩时，该肌肉可使得另一个关节 伸展，如此便完成了迈步的动作 。该结构中也存在这么一种“肌 肉”，即气动驱动装置，它能使 一个关节收缩时，另一个关节作 好伸展准备。
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1、小结
第一部分介绍了国外近几年步行机器人研究上的几个 成果。这些研究都是在仿生学的基础上，通过模拟动物骨 骼结构以及动物腿部自由度的布置，设计步行机器人。其 中，有不少都值得我们借鉴。比如“HUNTER”，相对于 传统的仿狗机器人，它多了肩关节这样的结构。又如最后 提到的猎豹机器人，它通过一种气动装置来模拟猎豹腿部 的肌肉，进而可获得较高的奔跑速度。