BigDog四足机器人关键技术分析

第51卷第7期2015年4月

机械工程学报

JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING

Vol.51 No.7

Apr. 2015

DOI：10.3901/JME.2015.07.001

BigDog四足机器人关键技术分析*

丁良宏

(中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室沈阳 110016)

摘要：对BigDog四足机器人的核心技术进行分析，适应复杂地形是BigDog的设计主线。提高横、纵自由度联动能力是BigDog 结构设计主要突破点。机体重心颠簸起伏、机体重心自扰动等不良运动特性是四足机器人控制难度大的主要原因。液压动力系统的构成和优点将被剖析，解决腿类移动装置的驱动问题是液压系统研发的根本目的。支撑腿打滑及俯仰和横滚角度是否过大作为监测机体运动安全状态的参数。惯导和关节编码器可检测机身与肢体的状态，借助压力传感器可还原落足点地形，三者合一可构建虚拟模型。借助虚拟模型可求算机体重心等关键控制处理中间参数，运动控制系统可实施粗略的动作预演及精确的运动学和动力学规划。规划模型与样机模型的偏差作为反馈值实施闭环控制。建立以三维激光扫描仪和双目视觉为主的导航系统，视觉地形还原功能可帮助LS3安全跨越岩石地形，软件系统将各种基本功能整合为有机的整体。机器人的自主性与智能性被讨论，利用BigDog/LS3与好奇号火星探测器作对比并加以分析。BigDog目前存在的几个主要问题：液压系统无法瞬时大幅增压、机械传动各种损伤、仿生设计的不彻底性。LS3机器人针对BigDog的不足，多个改进环节被分析。猎豹、野猫、Petman等机器人被简要分析。阿特拉斯双足机器人借助虚拟模型可实现机械臂碰撞保护功能，遭受外力撞击可迅速恢复平衡状态。

关键词：BigDog四足机器人；运动控制地形还原；虚拟模型；自主性；智能性；LS3机器人；阿特拉斯机器人

中图分类号：TP242

Key Technology Analysis of BigDog Quadruped Robot

DING Lianghong

( State Key Libratory of Robotics, Shenyang Institute of Automation,

Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016)

Abstract：The core technology of the BigDog quadruped robot is analyzed. Adapting to the rough terrain is the main design clues of the BigDog. Improving horizontal and vertical degrees of freedom linkage ability is the main innovation of structure design. Not good motion characteristics, such as robot’s center of gravity ups and downs and self disturbance are the main reasons for being difficult to control. The components and advantage of the hydraulic power system are analyzed. Solving the driver problem of legged vehicles is the fundamental goal of the hydraulic system development. Supporting leg slipping or not, pitch and roll angle of the body too large or not are the main parameters as monitoring robot’s movement condition. IMU and joint encoder can detect the state parameters of the body and limbs. Terrain of foot placement can be restored by pressure sensor. Three-in-one can build a virtual model. By the virtual model, robot’s center of gravity and other key control process parameters can be calculated. At the same time, locomotion control system can do action drill roughly and accurate planning of kinematics or dynamics. The deviation of planning and prototype model is taken as the feedback for closed-loop control. LS3 constructs the navigation system of three-dimensional laser scanner and binocular vision as the main. LS3 can stride across rocky terrain by visual terrain reconstruction. Software system can integrate all the basic functions as an organic whole. Autonomy and intelligence of robot are discussed. BigDog/LS3 and Curiosity Mars Rover are compared and analyzed. BigDog has three big problems currently: instantaneously unable to increase hydraulic value significantly, all kinds of damage in mechanical transmission, bionic design not thoroughness. For the inadequacies of BigDog, several improvements are analyzed on the LS3. Petman, Cheetah and Wildcat robot are briefly analyzed. Atlas biped robot has crash protection function and can recovery equilibrium status quickly after external force hitting by virtual model.

Key words：BigDog quadruped robot；ground plane estimation of locomotion control；virtual model；autonomy；intelligence；LS3 robot；Atlas robot

国家高技术研究发展计划(863计划，2011AA041001)和中科院博士后

基金资助项目。20140406收到初稿，20141225收到修改稿

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0 前言

BigDog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[1-7]。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BigDog、16自由度BigDog、Petman双足、LS3四足、猎豹四足，2013年最新的带有强力机械臂的BigDog(图1)、Atlas双足双臂、野猫奔跑等机器人。以上系列机器人虽然外形各异、功能不同，但是都是在BigDog原型机基础之上所改进而成的。因此，分析BigDog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。

图1 带有强力机械臂的BigDog

国内较成规模的四足机器人研究，主要是2011年国家高技术研究发展计划(863计划)，所设立的“高性能四足仿生机器人”主题项目，意欲打造具有BigDog水准的国产先进四足仿生机器人。以山东大学、北京理工大学、哈尔滨工业大学、国防科技大学、上海交通大学[8-13]为主的几个团队，分别设计了不同外形的四足机器人。初步具备了在较为复杂环境条件下的运动能力，包括坡面、碎石子路面、土路、跨越砖头障碍物等。鉴于BigDog研究历时二十余年，国内能在两年多的时间内达到这一高度，已属不易。未来的重点仍是提高机器人的各种运动性能和感知导航能力。意大利所设计的四足机器人也是采用液压作为动力系统，可以在跑步机上快速行走，并能适应脚下各种障碍物所造成的地形起伏变化[14]。此外，韩国[15]和美国的麻省理工学院也陆续推出了几种四足机器人系统。然而以上各种四足机器人在性能方面，与BigDog系列机器人比较仍然存在一定的差距。

BigDog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。由于复杂的地形具有未知和不可准确预测的特点。因此BigDog设计的核心思想，就是如何克服崎岖不平的复杂地形，使得机器人能够安全平稳的运行。

BigDog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，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。BigDog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。BigDog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难实现的一种陆地移动机器人。

本文将在前文[16]的基础之上，继续对BigDog 系列机器人做深入分析。论文结构安排如下：第1节结构与运动特性；第2节液压动力系统；第3节运动控制系统，是本文分析的重点；第4节导航和软件系统；第5节自主性和智能性的讨论；第6节BigDog的主要问题；第7节LS3、猎豹和野猫机器人；第8节Atlas机器人；第9节结论与展望。

1 结构与运动特性

1.1 机体结构特点

BigDog机体结构主要包括机身及12或16段肢体。机身是一个大刚体，是整个装置结构设计与装配的基准。BigDog结构设计的主要特点：仿造四足哺乳动物的肢体结构；拥有多个主动自由度；腿部具有较强的可伸缩性；纵向自由度数量多，利于纵向运动；横向自由度数量少，不利于横向运动；结构紧凑、布局合理；设计、加工、装配精度高；无法实现多轴性髋关节。BigDog首先是一套工艺精良的机械装置。

BigDog肢体的设计侧重于机体的纵向运动。纵、横自由度数量比为3:1或2:1。纵向自由度位置更靠近地面，对地形干扰的适应能力更强；而髋部横向自由度，在最上端远离地面，灵活性较差，如图2所示。从数量对比和位置分布来看，机体纵向的运动灵活性、调整能力要明显强过横向。BigDog

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作为移动载体，持续的纵向运动是设计的目的，而横向运动由于与纵向运动成正交关系，横向运动会增加移动距离和多次调整偏航角，所以四足机器人持续纵向运动时要尽量避免横向运动。

图2 结构图

BigDog各段肢体都采用销孔配合链接，能够保证机械本体的结构精度。BigDog所有肢体都属于严格的单轴性关节，只能绕着对应转轴旋转。每段肢体在各自液压执行器的驱动下做往复加减速旋转运动，构成了BigDog肢体的基本运动常态。BigDog 任何情况下的运动都是由12或16段肢体的运动所拟合而成的。

1.2运动特性

机体支撑倒立摆运动、重心颠簸起伏、机体重心自扰动、肢体往复加减速运动构成了四足机器人的基本运动特性。机体运动特性不良是造成四足机器人控制难度大的主要原因。四足的运动控制难度通常大于各种轮式、履带式机器人或者其它移动装置。从运动状态上来看，即使在光滑水平路面条件下，四足也不存在任何理论意义上的匀速直线运动。机体所有质点都没有直线运动状态，而是空间不规则曲线。以常见的对角步态为例：机身在两条支撑腿的支撑下从倒立摆的一端被撑过倒立摆的最高点，在倒立摆的另一端停止。机身重心经历一次圆弧运动，而水平方向的位移才是机身实际有效位移。机身重心始终是颠簸起伏，呈波浪曲线状，如图3所示。

图3 重心起伏(左)和肢体旋转(右)

机体重心情况则更加复杂，除颠簸起伏之外；机体各段刚体在机器人纵向运动的同时，还存在明显的相对运动，机体重心空间位置飘忽不定，使得测量异常困难，造成了四足机体重心自扰动的问题。该扰动也是腿类区别于其他移动装置显著的特性之一。四足机器人的多肢体旋转形成的支撑倒立摆结构，每段肢体在任何情况下都不是直线运动而是旋转运动；范围通常在几十度以内，为追求机器人的运动速度，必须加快肢体的旋转速度，而行程范围又很小；通常是肢体的转速刚加速升上去之后，又要快速减速以保证能在行程终端位置刹住；再反向如此重复。所以驱动系统的加速、减速构成了动力系统输出的基本常态。为使机器人能够处于平稳的运动状态，必须保证力和扭矩的输出能刚好满足对应肢体的实际动力需求，也就是恰到好处的油压值及流量输出。不断的规划、不断的检测、不断的反馈、不断的调整输出，构成了四足机器人运动控制的基本常态。此外地形的随机任意变化、多种运动状态之间频繁切换、肢体载荷分布不均匀等，都使得运动控制的难度进一步加大。

2 液压

2.1 液压系统的主要构成和优点

BigDog液压动力系统主要组成部分包括：汽油发动机、变量活塞泵、液压油箱、油压总路、蓄电池、16个电液伺服阀和16个子液压执行器等，如图4所示。汽油发动机在汽油燃烧产生的热能驱动下旋转；同时带动活塞泵旋转，把液压油箱的常态液压油抽到泵里实施加压，形成封闭的油压总路。每段肢体对应的液压执行器将根据当前运动控制系统所发出的指令参数，借助各自电液伺服阀的调压功能，获取恰好满足各自肢体所需要的动力输出。根据液压系统的基本特性可知，总路油压值的大小由16段肢体中某一段终端负载来决定；通常载荷最大值为支撑腿足底段肢体。电液伺服阀的调压包括三种情况：等压、减压、增压。运动控制系统最终发送给每个电液伺服阀的指令参数包括：油压值和流量。

BigDog液压驱动系统的主要优点包括：功率输出大，原始发动机12.5 kW；高油压(20.68 MPa)；多支路分配输出；电液伺服阀响应频率高(1 000 Hz)；伺服阀控制精度高；抗冲击载荷强和密封性好。大功率是为了满足四足高功率密度的动力需求。高

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频输出是针对肢体载荷始终处于变化状态而需要同步调整动力输出的要求而设定的，借助电液伺服阀实现1 000 Hz的输出频率。多支路输出是依靠并联关系的电液伺服阀独立实施液压输出控制，保证同时满足12个或者16个子液压执行器不同的液压输出要求。密封性和抗冲击载荷性能，主要是针对四足机器人运动时肢体会与地面发生剧烈的冲击可能对液压系统造成的伤害而设计的。

图4 液压驱动系统示意图

电液伺服阀是BigDog系统中技术含量最高的器件之一。液压油的弹性、粘滞性和受温度影响过大等不利因素，使得液态能量传输和控制难度通常较大。借助电液伺服阀的优良性能可实现液态能量精确控制。电液伺服阀的最显著特性是具有增压的功能。液压油在封闭的油压总路内传输，会与管壁之间产生摩擦，造成能量损失，油压值下降，传输距离越长下降越明显。必然造成进入到足底段肢体油压值与动力学规划值相比不足，此时需要借助电液伺服阀的增压功能，对液压油实施二次增压。电液伺服阀的电动机借助蓄电池的电能启动旋转，同步带动泵旋转，把从总路引入至子路的油压实施进一步增压。电液伺服阀可及时弥补由于传输损耗造成的油压值不足，使得动力系统的输出始终能够跟上动力学规划的输出要求。

2.2BigDog系统的高能耗和低效率

BigDog系统高能耗问题很突出，可从动力系统能量转换和传输的角度加以说明。能量的多次转换、多环节传递造成了大能量损失，如图5所示。大能量损失必然带来散热问题， LS3机身两侧都需要携带辎重补给和椭圆形辅助装置。可在机身顶部安装两台大风扇，一台负责汽油发动机的散热，另一台负责液压油箱的散热。此外，机体重心颠簸起伏的无谓消耗及机械传动系统的消耗都加剧了高能耗问题。各环节的热能散失最终还需要消耗更多的电能来实施散热。BigDog动力系统能量转换相比大多数的移动装置而言要复杂一些。

图5 能量转换与传输示意图

高能耗的同时意味着较低的运动效率，四足机器人在各种常见陆地移动装置中属于效率较低的。各种常见移动装置能量消耗关系比，如表1所示。总之，四足腿类移动装置属于功耗过大或运动效率较低的机械系统，需要大幅度提高原始发动机的功率。

表1能量消耗对比关系

对象能耗比

轮式装置

人、四足哺乳动物

履带式

四足机器人

1.0

1.5～

2.0

4.0～7.0

70.0～80.0

2.3 机载蓄电池

机载蓄电池串联在油压总路中，液压动力系统工作时同步实施充电。蓄电池需要给如下主要器件提供稳压电能输出：两台机载计算机；所有传感器、机载通信装置；16个电液伺服阀，特别是增压部分的能量；两台散热风扇；战地环境下士兵所携带的各种电器，如手电筒、手机、剃须刀等。估计LS3蓄电池总功率在1.5～2.0 kW，质量5～10 kg。蓄电池体积和质量大会给机身的结构设计带来问题。四足机器人虽然对重量要求没有飞机那样严格，但对于配重要求很高，机身的重心只有位于几何中心才有利于控制。

2.4 液压动力系统的研究目的

波士顿动力公司所研制的BigDog系列机器人，尽管构造存在一定的差异，但都采用了液压作为驱动系统。明明是在研究机器人，却起名为动力公司。原因在于，腿类运动执行机构和与之配套的动力系统的研发，才是波士顿动力研究的真正目的。四足或两足机器人仅仅是用来展示这个驱动系统和腿类机构的一个平台。四足或其他足类机器人、机械臂，作为机器人系统都有其运动控制和导航的特殊性，但是在动力系统的需求方面几乎是一致的。

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波士顿动力一旦掌握了这套液压动力系统的核心技术，便可任意实现常见的各种腿类移动装置和机械臂。可如下设想，在四轮汽车的地盘，同步安装一套四腿机构，驾驶员在轮式状态无法移动的环境中，可启动腿装置，实现复杂环境运动，如同BigDog一样。此时，该装置是在人工的操作下运动。所以系统不具有智能性，但有一定的自主性。而BigDog等明确为机器人系统的，则必须具有很高的自主性和较高的智能性，能够在极少的人工遥控下在复杂环境中移动。机器人研究的难点主要是它的自主性和智能性，而四足机器人前期受困于它的驱动问题。所以BigDog系列机器人仅是波士顿动力液压驱动研究成果延伸的几个特例而已。掌握这套液压动力系统才是前期研究的根本目的。

2.5小结

灵活的肢体结构和良好的液压动力系统，构成了BigDog基本机体的硬件组成，使得机器人具有了较强的运动潜能，接下来需要设计一套与之匹配的运动控制系统，在复杂环境下把各种运动能力展现出来。

3 运动控制系统

3.1概况

BigDog作为机器人必须具有很高的运动自主性，在复杂的非结构化环境下，只需少量的人工干预，独立自主实施各种运动。并能根据地形环境的变化，自主做出适当的调整，直观上具有了类似于四足动物或人一样的反应和应变能力。由于在运动过程中，具体的动作指令几乎不可能靠人工实现。需要完全借助开发好的运动控制系统自主生成，所以这套系统必须具有很强的鲁棒性和应变性，才能满足不同地形条件下的需求。

运动控制处理具体过程如下：检测机身和肢体状态，对落足点地形实施还原；在虚拟环境中建立三者的模型，求算机体重心等关键参数；利用机体安全状态参数作为控制准则，结合机体当前状态实施运动学规划，根据压力传感器的读数实施动力学输出，借助样机模型与规划模型之间的偏差，对运动控制实施反馈，保证实际样机与规划的模型一致。BigDog运动控制系统基本框架如图6所示。该控制系统独特之处在于对复杂地形具有很强的适应能力，如何实现对崎岖不平地形的识别和应变是控制系统设计始终围绕的核心问题。

图6 运动控制系统结构图

1 000 Hz的高频是运动控制系统的基本特性，平坦地形还可达到高精状态。高频循环系统可解决如下典型问题，保证机体运动协调一致。两条支撑腿在支撑倒立摆过程中，由于诸多因素的影响未必同步，会造成挤压或牵拉机身，而高频循环可及时调整运动规划和动力输出，缓解或消除不利影响。此外，保持迈步腿各段肢体协调一致，也需要高频循环调整。高频循环的存在，使得BigDog系统具有了随时发现问题，可随时调整的能力。

3.2 控制原则和状态安全性评估

3.2.1 控制的三个原则

波士顿动力创始人RAIBERT[4]总结的四足机器人控制的三条基本原则：利用垂直地面的运动支撑机身、利用支撑腿横向自由度牵拉机身的位置变化以保持机身姿态的安全、迈步腿根据均匀对称的原则放置正确的落足位置以保持新的支撑平衡。

第一条是保证机体首先能够站立，并且运动时也能借助逆重力方向的支撑力保证机体的重心起伏。第二条是借助支撑腿的髋部横向自由度的变化，来调整机身的位置，从而保证机身处于安全状态。理想状态下，四足机器人机体只在纵向平面内实施运动，但由于诸多原因，机身会发生倾斜机体重心会偏离稳定支撑区域，此时就需要借助支撑腿横向自由度的运动，调整机身的姿态。第三条是处于悬空状态下的迈步腿根据当前支撑腿及机身的状态，选择正确的落地位置，保证机体重心落在新支撑腿确立的稳定区域之内。三原则的核心就是对机体重心的控制。

3.2.2 机体状态安全性评估

复杂地形是造成BigDog各种运动困难和遭遇险情的主要原因。凹凸起伏、坡度、湿滑、松软、水等构成了非结构化环境主要的危险地形特征，对

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于四足机器人的运行安全构成了潜在威胁。崎岖地形带给机器人运动的主要问题包括：①地面作用在足底的支撑力方向不易确定和控制；②地形深浅变化，造成的前后有效腿长不一致；③前、后足落地存在时间差，造成运动不连贯；④湿滑、松软造成的支撑腿不稳而打滑、摔倒等。可从两个方面对BigDog运行安全程度进行评估：支撑腿的打滑程度和机身的姿态。

处于支撑相位的腿部稳定、不打滑，是 BigDog 运动安全的基本前提条件。倾斜湿滑的地形经常会造成机器人支撑腿打滑，由于支撑腿直接担负着支撑机身和迈步腿的重任，一旦打滑整个机体会失去平衡进而可能摔倒。支撑腿打滑在复杂环境中又是极为常见的，利用压力传感器检测和插入规划的方法可解决支撑腿打滑的问题。根据打滑程度可分为三种情况，见表2。对于支撑腿是否打滑，主要的判断依据就是足底压力传感器是否有读数，并且在合理的范围之内，借助虚拟模型可监控状态变化。处于支撑相位的腿部各段肢体在支撑倒立摆过程中载荷通常很大，而一旦出现打滑足底段肢体载荷由很大骤降至零，借助对应压力传感器读数的变化可判定支撑腿是否打滑。小幅度打滑常出现在山坡行走时，支撑腿在倒立摆结束前，出现的打滑离地。由于已经是倒立摆结束前，利用快速落地的新支撑腿可及时挽救机器人状态。大幅度打滑出现在冰面行走的情况下，BigDog必须终止正常的行进，转为寻找稳定的支撑腿状态，只有支撑腿立稳不打滑，才能继续后面的纵向行走。

表2支撑腿三种状态

支撑腿状态是否安全典型地形

稳定不打滑安全平坦

小幅度打滑安全斜坡、湿滑

大幅度打滑否冰面

俯仰和横滚角度是衡量机身姿态安全性的主要参数。BigDog机身刚体既是机械设计与装配的基准，同时也是运动控制的基准。BigDog初始在水平地形站立，利用机械的精度认定当前机身平面即为水平面，IMU清零。此后的运动中，IMU随时检测机身的状态参数，可知机身与水平面之间的偏差，也就是俯仰或横滚角度值。可设定双角的安全范围，比如正负10°；超出这个范围，运动控制系统则认为机身处于非安全状态。控制系统的基本功能之一就是控制住机身使其始终处于安全的角度变化范围。如果超出范围，需要尽快调整回安全范围。俯仰和横滚角度变化直接反映了机身姿态的安全程度。双角变化过大，意味着机体发生倾斜，机体重心会偏离支撑腿所确定的稳定区域(图7)，在重力扭矩的作用下机体会发生扭转，倾斜幅度加大，导致机体倾翻。双角变化剧烈的原因，主要有以下几点：①机身遭受外界作用力干扰，造成机体同向发生倾斜；②平坦地形行走时，前后支撑腿有效腿长不一致造成机身偏离水平面；③复杂环境行走时，由于地形崎岖不定、同时还可能存在横向的运动分量，支撑腿位置不佳造成机身偏离水平面。地形的随机变化是造成双角状态不理想的常见原因。

图7 支撑腿安全区域示意图

以常见的对角步态行走为例，BigDog两条支撑腿可确定一个稳定区域。机体重心如果位于稳定区域，则不会形成重力干扰力矩，可保证正常行走时机身姿态的安全。但是两条支撑腿足底支撑力横向分力方向一致时，即使重心处于稳定区域，整个机体仍然会继续倾斜。

克服双角变化的主要措施如下：① 借助虚拟模型，协调地形和支撑腿有效腿长的关系，保持机身水平；②迈步腿需要根据当前机体的状态，按照均匀对称的原则选择正确的落足区域，确保新支撑腿的位置理想；③肢体大幅度侧摆时，可借助腿部较强的伸展性，优先保证落足点均匀对称；④四足机构的容错性是克服双角问题的最后措施。

支撑腿是否打滑和机身双角是否过大，是衡量BigDog运动状态安全最重要的参数指标，也是运动控制系统自主运行的安全准则。BigDog只有同时满足以上状态才是安全的，才能实现持续的纵向运动。一旦其中任何参数超出设定安全范围，运动控制系统将终止其他参数处理，全力恢复机体安全姿态。

3.3 机身和肢体的检测

快速准确检测机身和肢体的状态参数变化，是实施精确控制的前提条件。借助IMU、关节编码器和压力传感器三种高频、高精的传感器，可实现这

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一目的。

3.3.1 检测基本情况

BigDog在复杂的非结构化地形行走时，机器人与环境可抽象为三部分模型：机身、肢体和落足点地形，如图8所示。机身运动过程中任意时刻俯仰、横滚、偏航三个角度变化值，借助陀螺仪部分可获取。其中俯仰角和横滚角是机身姿态安全的主要参考指标；偏航角是机器人方向变化主要控制参数，无关姿态的安全性。线加速度计部分可测量机身横向突然遭受外力作用而产生侧向加速度值，控制系统可根据经验值选择机身横向侧滑的幅度。利用地面反向的摩擦力抵消掉横向运动，直到横向速度为零。

图8 三部分模型

肢体中，髋部横向肢体以机身作为基准实施装配；其余各肢体顺次以上一级肢体作为基准实施装配。由于初始安装角度是可测的，同步在每一个主动关节加装关节编码器，可获取任意时刻各个关节的角度值及对应的变化量，肢体的角度变化反映了运动学的参数变化。在十六段肢体上安装压力传感器，任意时刻对应肢体的载荷值大小可获取；由于速度、地形的变化都可能造成载荷值的相应变化。压力传感器可解决载荷值变化不定、不可预知的问题，对于动力学的规划输出是至关重要的；但是压力传感器无法检测力的方向。机身和肢体的状态参数检测主要目的：还原当前机体状态和落足点地形，建立虚拟模型；建立高频、高精闭环反馈系统。3.3.2 传感器检测系统的优点

BigDog本身属于加工和装配精度较高的机械装置，而且机构运动速度较快，借助高性能传感器，运动控制系统可在任意时刻获取当前机体状态的主要参数。主要优点包括如下。

(1) 检测精度高，传感器分辨率高。意味着在机器人运动时连续的检测周期内，参数的细微变化可以测得，提高了系统的灵敏度。

(2) 响应频率高，高达1 000 Hz。可在任意时刻获取当前的机器人状态参数。

(3) 传感器数据的利用率高。复杂地形运动时，为了保证机器人能够安全运动，必须高效利用传感器的检测数据。对于感知地形和建立虚拟模型以及闭环反馈都是至关重要的，使得BigDog机器人整体具有了相当高的控制精度和响应频率。

3.4 运动控制地形还原

借助简单的压力传感器便可获取当前脚下地形起伏情况的数据信息，是BigDog运动控制系统的主要创新点之一。不论有无视觉导航系统，BigDog 能够趟过各种崎岖不平复杂地形，首先都是依靠运动控制地形还原来实现的。

以对角步态为例，利用图8和图9来说明运动控制地形还原的过程。右前腿和左后腿当前处于支撑状态，左前腿和右后腿处于悬空迈步状态。支撑腿当前地形为虚线所代表的平面，支撑腿的各段肢体载荷值均很大。迈步腿悬空，各段肢体的载荷很小，足底的载荷值为零。

图9 地形估测二维侧视图

由于崎岖地形任意变化难以预知，所以当前迈步腿所执行的运动规划，无法准确预判迈步腿的落足点位置。借助当前支撑腿所确定的平面，作为悬空迈步腿最有可能的落足平面实施不完全规划。地形的起伏，使得迈步腿或提前落地，或滞后落地；除非共面，否则极少按照预设规划在对应几何位置恰好落地。而一旦足底与地面发生接触，肢体和机身的重量将压到新的支撑腿上，对应肢体的载荷值将急剧增大。可利用压力传感器的读数变化，来判断足底是否与地面接触并且踩实；由于草棍之类的物体有一定的强度，能够支撑一定的载荷，所以只有压力传感器的载荷达到一定阈值之后，比如50 N，才确定与地面接触并踩实。此时，在虚拟环境中可确认新的支撑腿与地面接触并踩实，此时足底终端的几何位置数据，就是该落足点对应的地形信息。新支撑腿停止不完全规划的迈步伸展运动，转为支撑状态下的运动。

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由于地形的起伏，两个足底未必会同时落地，需要两足都落地之后，才能构建新支撑腿所确定的平面。空间中两个落足点可确定一条直线，再借助IMU测量的当前机身刚体横轴或纵轴，也可利用水平横纵或纵轴，两条直线可确定支撑腿所处平面，见图9中实线。BigDog借助于压力传感器的运动控制地形还原得以实现。而且该平面的俯仰和横滚角度值也是可求算出来，也就是坡度值。下一时刻新的迈步腿又可以确立新的支撑平面，周而复始。BigDog在复杂地形的运动就可简化为在一系列平面之上的运动。实质是，把无限量的复杂地形情况，转化为有限量可按照角度划分的平面来处理。各种坡度面的运动，可借助前期的试验作为先验信息。运动控制系统将按照支撑腿平面的还原为周期，实施支撑腿和迈步腿的运动学规划。借助运动控制地形还原能力，BigDog就能更好地适应复杂地形的起伏变化。图10为运动控制地形还原的流程图。

图10 运动控制地形还原流程

确立行走平面的两个直接目的，状态预演和迈步腿逆向运动学规划。状态预演是对即将发生的支撑腿支撑倒立摆过程，在虚拟环境下的动作演示，可粗略判断未来半个完整运动周期机体是否安全。或者结合当前的机体、地形参数，在诸多运动学规划预选方案中，选择最佳的动作方案作为备选。迈步腿可利用当前还原的地形作为最有可能的落足平面，实施逆向运动学规划。由于BigDog行走时腿部呈屈腿状态而非打直状态，借助腿部的可伸缩性满足地形凸起或者凹陷的变化需求。腿部具有较强的可伸缩性是BigDog结构中为数不多超过四足哺乳动物的优点之一。

复杂地形条件下，运动控制地形还原的主要缺点包括：无法真实还原地形的实际几何参数信息，如足底实际接触面的坡度信息、实际接触面的大小；无法判断足底与地面接触的准确位置，全部以足底最低点为准；此外，足底段肢体的压力传感器无法检测支撑力的方向。3.5虚拟模型

3.5.1 参数还原

虚拟模型是指在运动控制系统中，根据当前机器人的机体状态检测和地形还原数据，同步在虚拟系统所建立的反映当前机身、肢体、落足点地形准确数据信息的三维虚拟模型。虚拟模型在反映机体、地形状态参数的同时，还可求算大量控制处理的中间参数，如机体重心位置。由于机体的基本物理参数，比如结构、尺寸、重量分布等，在机械结构设计环节利用UG、ProE之类的三维造型软件可实现。在运动控制环节，可把该三维造型做必要的简化之后直接导入虚拟环境中。

BigDog机体13段或者17段刚体，在空间的几何相对位置关系，利用运动学参数可以获取；另外，基本的刚体参数信息都是已知的。因此，运动控制系统可准确计算出机体重心位置。测算机体重心并控制重心始终处于期望的状态，是移动装置设计最关键的环节之一。借助虚拟模型，BigDog运动控制系统可以实现这一目的。虚拟模型可还原参数如表3所示。

表3借助虚拟模型可还原参数一览表

具体参数获取形式

运动学

机身三态角、三个线加速度值、肢

体角度值

直接测量

动力学各肢体载荷值、足底反作用力大小直接测量

物理结构各刚体结构参数设计建模

计算参数

支撑腿的安全区域、机体与机身的

重心位置、水平面行走时机身与地面

之间的距离以及迈步腿落地时间、机

体所有刚体空间几何位置关系、平坦坡

面行走时坡面的坡度、机体运动速度

直接计算

估算参数

机体四腿腾空时机身与地面之间

的距离、足底支撑力的方向

估算以上参数均可按1 000 Hz的高频率获取。所以运动控制系统可以随时掌握机体主要参数的变化情况。BigDog只要不是四腿同时腾空，在水平面地形行走时，不仅可测出机体的重心位置。而且每条悬空迈步腿以及机身与地面之间的空间几何位置都可以精确测算出来。这样每条迈步腿的落地时间都是可以预估的。BigDog的运动控制系统对于已经发生的动作可以了如指掌，误差很小；而即将发生的状态变化复杂地形下只能推测，误差可能较大。

3.5.2 基于虚拟模型的控制策略

在虚拟环境下借助虚拟模型可对机器人的运动作仿真预演，判断当前地形条件下机器人的安全程度和安全运动范围，选择恰当的运动学备选方案。可降低运动中可能存在的风险性，大大提升了机器

2015年4月丁良宏：BigDog四足机器人关键技术分析9

人运动的安全性。虚拟模型粗略规划基本流程图，如图11所示。

图11 虚拟模型粗略规划基本过程

实际机器人运动由于受到地形起伏的影响，足底反作用力方向的不确定性，造成了机体在支撑倒立摆过程中会发生倾斜，所以此处的规划为预判性的规划，并不能反映实际机器人的准确运动变化过程。但是，在倒立摆运动具体实施之前，也就是运动控制地形估测之后，便进行粗略规划和动作预演，能够将可能发生的危险状态提前获悉，可作适当调整。

基于机载实时虚拟模型的运动控制策略实质是，根据预设的状态安全评估参数作为准则，对虚拟状态下的机器人先一步实施控制，对未来的运动结果可做预测，评估其好坏程度，运动控制系统有机会在实际动作做出之前，对控制输出做出适当调整。最后，运动控制系统把控制指令发送给真实的液压驱动系统。

BigDog基于虚拟模型的运动控制策略，并非复杂环境陆地移动机器人首创。NASA-JPL(喷气推进实验室)所研制的好奇号系列火星探测器，在BigDog之前就已采用列似的策略，对探测器实施有效的控制。好奇号系列火星探测器的基于虚拟模型控制过程大体如下：①停车状态下的探测器，把大量机载立体相机所拍摄的当前所处场景立体视觉图像传回地球主控中心；②主控中心工作站借助立体视觉图像，利用已开发好的虚拟软件系统还原当前地形的三维信息；③虚拟环境下调取已构建好的探测器虚拟样机，由于当前探测器机体状态参数可同步传回地球，所以借助虚拟还原系统便可还原探测器与地形的主要数据信息；④虚拟环境下实施路径规划，寻找安全高效的探测器移动路径，此处人工可以干预；⑤ 在路径规划完成之后实施动作规划，生成探测器驱动系统所需要的程序指令串；⑥ 主控中心把动作指令串发送回火星，探测器接到指令之后直接实施运动；⑦ 探测器的导航系统只需要利用视觉测程或航位推算法测出局部定位信息，如果探测器遭遇险情，导航系统可终止当前运动，并将情况发送回地球，等待主控中心进一步指令。

BigDog系列机器人与好奇号系列火星探测器的相同点：借助虚拟模型的一种控制策略；都可完成路径规划和动作规划的任务。不同点：BigDog是机载完成，探测器是地球主控中心完成；BigDog实时性很高，探测器需要长时间反复处理。所以，借助机载虚拟还原系统保证机器人运行安全，是非结构化环境陆地移动机器人运动控制设计的一个重要发展趋势。

3.5.3 实际样机模型和理想规划模型

虚拟模型包括实际样机模型和理想规划模型。样机模型是任意时刻借助传感器所检测的实际机器人机体状态，在虚拟环境中的抽象反映；样机模型始终反映实际机器人状态，如图12所示。规划模型是运动学规划的专用模型，反映的是理想状态下或者期望状态下的机器人运动变化过程。

图12 实际与规划模型示意图

规划模型通常在运动控制地形还原的同时实施更新，保持与样机模型一致，这是由于迈步腿落地位置的不确定性所造成的规划模型的变化也存在不确定性。所以规划模型通常是以半个完整的运动周期为节点更新一次，也避免了可能的误差连续累计。其余时间规划模型需要始终保持在样机模型之前。所以规划模型需要结合当前状态和运动趋势，判断未来子周期机体的状态变化可能。预设规划，并且能够检测实际结果与期望之间的差值，进而补偿误差。

3.6精确规划

3.6.1 机体和足底受力情况

BigDog的运动主要是三部分力共同作用下的一个结果：恒定的重力、油压值可调的肢体内力、只能测大小无法测定方向的足底支撑力。其中足底段肢体输出的内力与地面对足底的支撑力是作用力与反作用力的关系，而重力又是恒定的；因此

机械工程学报第51卷第7期10

BigDog复杂地形的运动状态可看作只与足底的反作用力相关。

支撑腿足底受到地面的反作用力F，可分解为三个分力：纵向摩擦力f1、横向摩擦力f2、逆重力方向支撑力N，如图13所示。三个分力对机器人运动的影响：f1提供纵向运动所需要的摩擦力；N为支撑机体站立、重心起伏所需要的支撑力；f2造成机体横向运动。三个分力中，f1与N为积极力量，是机器人正常运动所必需的驱动力；而f2为消极力量，是尽量要避免的，因为横向运动对于BigDog 持续的纵向运动而言是没有意义的。可得如下结论：若想BigDog往哪个方向运动，就需要地面提供同方向的力；反之，地面提供哪个方向的支撑力，BigDog就有对应的方向运动。其实就是牛顿定律，力是改变物体运动状态唯一的原因。

图13 支撑腿足底受力分析图

通过调整迈步腿落地时足底段肢体与地面接触的角度，获取地面正确的支撑力方向，保证机器人能够持续纵向运动。但由于地形的任意变化和不可预知，实际效果有时未必理想。在图14中，F2和F3是理想的，而F1会造成机体减速。如果以垂直画面方向为纵向，那么三个F都有横向的分力，而且方向不定。所以在乱石堆地形下，BigDog在持续纵向运动的同时，还会发生不确定的横向偏移或者晃动，原因就在于横向分力的干扰。

图14 复杂地形足底支撑力方向不定

3.6.2 闭环反馈

BigDog运动控制的一个核心问题就是，如何提高整体机构的控制精度，使得实际机体能按照既定的运动学规划实施运动，也就是样机模型与规划模型的期望值保持一致，如图12所示。由于机械结构、液压驱动系统、传感器检测、控制算法等诸多环节误差的累积，此外复杂地形的不利影响，使得样机腿部各肢体的运动状态与虚拟规划腿的状态不能完全保持同步，位置上会存在一定的偏差。

复杂地形由于足底支撑力方向无法准确测定，无法实施准确受力分析。线加速度计虽可测量机身的加速度值，但只能间接估计支撑力的方向，所以机体运动状态无法准确预判，运动控制系统无法对支撑腿运动实施精确的动作规划。因此，支撑腿的闭环反馈作用下降。而且闭环反馈也没有能力挽救正在倾斜的机体运动状态。BigDog机体在支撑倒立摆过程中一旦出现倾斜，当前支撑腿无法扭转这一状态。机体的横向倾斜为不理想状态，借助四足机器人机构的容错性和迈步腿快速落地，可挽救正在倾斜的机身。闭环反馈的作用是消除运动误差，但是机体运动状态的不可准确预估造成了支撑腿闭环反馈的作用下降。

而一旦进入光滑水平路面，地形的信息近乎完全已知。可通过仿真计算并结合实际经验值，运动控制系统可准确把握足底支撑力在支撑倒立摆过程中的方向变化，实施精确的运动学规划。此时闭环反馈恢复到正常状态。所以BigDog可在水平路面做出各种复杂地形无法做到的动作，比如快走、小跑、跳跃模拟壕沟等。机器人运动速度一旦加快，借助闭环反馈及时消除运动中的误差就显得尤为重要。BigDog、野猫都可以在水平面快速跑动中保持期望的动作姿态，依靠的就是闭环反馈功能随时检测误差并及时消除。此外，运动时每次支撑腿更迭时， BigDog每半个完整的运动周期可以集中对累积误差做一次清除。复杂地形行走时，闭环反馈虽然消除误差的能力下降，但是每次地形还原的瞬间，运动控制系统仍然可以清一次零。

3.6.3 状态机与步态规划

步态规划是运动控制系统根据导航系统或者人工指令，对迈步腿动作的选择。主要包括步幅的大小、落足点位置、迈步速度等参数。迈步腿规划需要根据当前机体状态，并遵循均匀对称、快速就近落地原则，对未来的落足点实施规划。由于复杂地形的干扰或者机身遭遇外部冲击载荷，支撑腿的支撑倒立摆运动是一个随机多变的过程，所以迈步腿必须跟随着支撑腿和机身位置与姿态的变化，同步做出一个调整。借助状态机计算模型，既可以遵循事先设定的逻辑程序实施动作规划，也可以根据随

2015年4月丁良宏：BigDog四足机器人关键技术分析11

机发生的外部干扰，及时改变规划输出，以适应当前机体变化对落足位置新的要求。

3.6.4 规划输出

借助高频虚拟还原系统，BigDog在水平面行走时，运动学、动力学都可实施高频和高精度的规划输出。运动学规划设计下一个子周期内所有肢体旋转的角度值，也就是运动结果；动力学规划负责计算对应电液伺服阀输出的油压值。由于各段肢体所承受的载荷差异较大，动力学规划必须准确测出当前肢体的实际载荷值，再根据运动学规划的角度值，决定液压输出值，保证在子周期内对应肢体恰好完成期望的运动量。支撑腿各段肢体的运动特点是载荷大、转速慢、转角小；迈步腿各段特点是载荷小、转速快、转角大。通过调整每个电液伺服阀的油压值，各段肢体在加速、减速、匀角速度三种状态做出恰当选择。电液伺服阀在接到指令之后，需要做液压的调压处理，并控制流速和流量，其中流量对应肢体角度变化值。至此，运动控制系统与液压驱动系统完成任务对接。

由于基本构造和驱动的差异，BigDog的运动学规划不能完全照搬四足哺乳动物的运动学，只能以其为基本参考。借助虚拟模型的地形还原功能，BigDog复杂地形运动时相当于在平面之上的一个运动，那么迈步腿空中的运动时间其实都可粗略估测。任何当前的动作规划，即使机体倾斜状态下的规划，借助虚拟模型都可以预估未来时间量，就可以按照剩余运动量值和时间，分配子运动周期内各段肢体的旋转角度值。复杂地形的精确规划可采取如下的措施：以机体运动是模拟量作为前提，结合当前机体状态，以及之前连续几个子周期的实际状态，利用运动趋势做一个预判。

BigDog的运动控制精度很大程度取决于地形的复杂程度。通常越是平坦地形控制精度越高，便于机器人高速运动。随着地形复杂程度的加剧，控制精度随之下降，因此BigDog机器人整体控制的好坏与地形的复杂程度息息相关。

3.7 典型运动状态分析

3.7.1 冰面打滑

借助虚拟模型和规划预演的运动控制，可满足在各种平坦和崎岖地形的运动需求。在各种危险状态下，BigDog仍然依靠虚拟模型才能使得机器人重新找回安全状态。以冰面打滑(图15)为例做分析，支撑腿打滑脱离地面，压力传感器读数骤降，启动牵引控制，大幅度降低支撑腿各段肢体的油压值，避免机器人状态更加恶劣。此时由于支撑腿脱离地面，造成对应支撑腿缺失，实际机器人已无法再按照正常状态实施运动。所以虚拟模型规划的动作将及时终止，此时的迈步腿不再按照既定的规划实施向前迈步，而是根据均匀对称原则选择及时就近落地以保护机器人，防止发生翻滚。迈步腿落地后迅速转换为支撑腿，撑住机身防止摔倒。同步虚拟规划模型更新，重新规划，此时还在空中的迈步腿也要及时落地协助支撑腿稳住机身。如果支撑腿又发生打滑情况，就继续重复以上过程，BigDog进入只撑住身体，而不继续前进的状态。

图15 冰面打滑瞬间

根据状态安全性评估设定可知，支撑腿连续打滑并且机身双角变化明显超范围。运动控制系统在此期间不再接受方向、速度等指标的要求；只以恢复基本的机体安全状态为当前实现目标。先找到稳固的支撑点，保证支撑腿不再打滑；然后，借助支撑腿横向自由度调整机身姿态，使机体重心刚好位于支撑腿确立的稳定区域保证机身双角不超范围；最后再考虑运动方向、速度等参数指标，实现持续的纵向运动。流程图如图16所示。

图16 冰面打滑运动控制处理流程

3.7.2 侧踹滑步

BigDog在水平路面纵向行走时，机身遭遇横向的外力干扰，借助迈步腿部侧摆落地时支撑力中反向摩擦力部分消除横向运动。机身IMU的线加速度计可测量横向的加速度值，机体在外力干扰下产生横向运动。迈步腿的逆向运动学规划，在保持纵向既定规划的同时，插入横向规划。迈步腿落地之后，

机械工程学报第51卷第7期12

地面作用在足底的支撑力存在较大的横向分力。利用这个横向分力可逐步消除干扰力所产生的机体横向运动。

借助虚拟模型，运动控制系统可随时掌握整个运动过程中机体的状态参数变化情况。由于压力传感器无法检测支撑力F的方向，所以水平分力f的大小无法准确控制，如图17所示。造成了迈步腿横向规划的步幅和步数只能根据经验值粗略规划。可能存在较大的误差，机体横向运动不能一次到位，会有再次反向运动的可能。

图17 侧踹滑步

复杂地形或机体横向外力干扰是造成BigDog 运动状态明显变化的两个主要因素。目前BigDog 的性能尚不能在复杂地形条件下，机身同时还要遭遇明显的外力干扰。总之，借助虚拟模型运动控制系统，BigDog机器人还是具有了很强的适应外界环境的能力。

3.7.3 无法消除的横向运动

BigDog当前的运动能力与四足哺乳动物相比较，差距仍然非常明显。通过视频对比可看出，四足哺乳动物复杂地形行走时躯干和肢体都可保持在纵向平面内，几乎消除了全部可能的横向运动或者晃动。运动中消除横向的运动分量，使得四足哺乳动物可在狭窄的陡峭地形中避免了横向可能的危险。BigDog目前尚无法在复杂地形行走时消除横向运动。如果在狭窄复杂的地形上运动，机器人有可能撞到岩石或者跌落到沟壑里。四足哺乳动物能够在复杂地形获取恰好在纵向平面内的足底支撑力，关键在于迈步腿落地之后的及时调整。

四足哺乳动物需要具备三个条件才能实现这一目的：①利用各种神经功能器官，检测足底支撑力的大小和方向；②腿部结构需要非常灵活，具有很强的横向运动能力，可以灵活调节；③分布广泛的肌肉组织，利用对应部位肌肉的侧重发力，可及时调节新支撑腿的姿态变化，使得足底支撑力恰好只在纵向运动平面内。四足哺乳动物就是利用肢体具有很强的横向运动能力本身，通过调整刚落地的支撑腿姿态，恰好获取地面在纵向运动平面内的支撑力，消除支撑倒立摆过程中所有横向运动。BigDog 目前尚不具备以上的能力。

3.8小结

基于虚拟模型的运动控制处理，使得机器人具有对未来动作状态预判和预演的能力。提升了机器人对复杂地形的适应能力，降低了运动时可能遭遇的风险。

4 导航与软件系统

4.1导航系统

BigDog机器人的智能性主要是靠导航系统的各种功能来实现的，重点还是对环境的识别和理解。BigDog和LS3机器人的导航系统自主程度的设计与选择，主要取决于实际使用的具体要求。LS3定义为跟随步兵分队，携带辎重给养提供后勤保障。因此，机器人始终跟随步兵前后，是在有人工直接引导下的自主导航运动。LS3导航系统的主要特点：① LS3紧紧跟随引导者的路径；② LS3虽然主要靠引导，但在小距离上仍然可实施一定程度的全自主路径规划；③给定目标点GPS坐标的情况下，LS3可自主识别障碍物，绕过危险区域到达目标。此外，步兵分队可随时呼叫LS3，命令其达到指定位置。导航系统的基本示意图，如图18所示。

图18 导航系统基本示意图

山地和树林是LS3当前使用的主要环境，包括如下特征：树木、岩石、沟壑、坡面等。LS3在跟

2015年4月丁良宏：BigDog四足机器人关键技术分析13

随引导员的过程中，必须能够克服以上的环境问题，实现独立自主的安全行走。针对这些障碍物LS3采取如下对策。利用两台可旋转的三维激光扫描仪，实现对引导员的跟踪、机身等高和机身斜上方的树木与大尺寸岩石等障碍物的感知和识别。水平安装在机身前部的激光扫描仪，可以检测机身正前方、左侧、右侧几乎360°范围之内的所有高位障碍物，并能识别引导员的准确位置。为防止与斜上方的树枝之类的障碍物发生刮擦，LS3增加了斜上方安置的另一台激光扫描仪。LS3可准确定位树木的当前位置，自主导航系统采取避绕的策略实施安全行走。由于激光探测器距离可达30 m，因此对于距离机身较远的障碍物可快速识别，有利于提早实施路径规划。激光扫描仪在LS3中目前发挥着很关键的作用，比起早期的BigDog，重要性明显提升。LS3外界探测传感器分布情况，如图19所示。

图19 LS3外界探测传感器分布图

对于沟壑和处于低位的各种岩石障碍物，LS3采用和BigDog相同的视觉导航方法。利用立体视觉检测凹陷的沟壑和凸起的岩石，根据起伏程度，机器人自主选择：跨越、避绕或直接趟过去。直接走其实就是利用运动控制地形还原能力，自主适应复杂地形。视觉地形还原是BigDog/LS3机器人的自主地形感知方法。视觉地形还原主要是针对机器人正前方脚下4 m×4 m范围之内的地形起伏情况，利用立体视觉可测量景深的功能，准确测量地形起伏变化的数据信息。

较高的障碍物无法跨越，可避绕；凹陷较大的沟壑，若宽度较窄，可选择跨越，若宽度较大，选择避绕；对于凸起的脚下岩石，也要识别高度，对于宽度不大的可以跨越，太宽的需要避绕；若小的岩石和浅的沟壑，机器人可以直接趟过去，借助运动控制地形还原可适应这种地形。在跨越岩石和沟壑时，为了保证后腿也能够安全跨越必须对已经消失在视野中的地形实施记忆，需要借助视觉测程的局部定位功能才能完成。以跨越岩石为例，视觉地形还原需要测量三个参数：近端d1、远端d2、岩石高度h。运动控制系统需要根据视觉定位信息和岩石的参数，准确规划腿部运动保证机器人安全跨过

岩石，如图20

所示。

图20 跨越岩石视觉地形还原示意图

视觉地形还原可主动发现那些不适合行走的区域，准确掌握机器人脚下小范围的地形起伏信息，对于机器人的安全运行是十分重要的。借助激光和视觉两种传感器，LS3就可对除了机身正后方以外全部环境的感知。BigDog的构建地图和路径规划在前文中已分析过，不再赘述。采用立体视觉为LS3机器人做导航，需要一台单独的计算机才能满足图像处理所需要的大量计算机资源。LS3主计算机负责除了视觉之外其余全部的数据处理。LS3需要两台计算机才能满足需要，而好奇号火星探测器只要一台即可。因为好奇号大部分的图像处理是在地球主控中心完成的，而LS3除了人工发指令之外，机载计算机需要处理其余全部的数据信息。此外由于LS3机器人运动速度快，整体系统的实时性要求高也提升了对计算机的需求性。

GPS地图可如下使用。如果遭遇险境，引导员背部的激光引导器无法对LS3 实施引导，也就是激光扫描仪失去跟踪目标。在空旷和无遮挡的区域，可利用GPS数据实施引导。引导员随身携带一个GPS，利用无线通信把引导员所处位置的GPS数据发送给LS3，LS3再根据自己当前GPS的位置，自主决定路径轨迹寻找引导员。或者引导员直接利用语音口令呼叫LS3，给出大致的路径规划指令，LS3自主寻找引导员。总之，在树林环境下，引导员与LS3有多种呼叫和引导方法，保证机器人始终跟上步兵队伍。

BigDog借助激光和立体视觉可完成对周围环境信息的采集，也可在虚拟状态下同步还原环境的虚拟模型。再结合运动控制系统的虚拟模型，可建

机械工程学报第51卷第7期14

立BigDog完整的控制虚拟模型，运动控制和导航控制合二为一。所以，BigDog控制在某种程度上，就是对空间一系列刚体相对几何位置关系的处理过程。

4.2软件系统

BigDog作为一台完整和独立的机器系统，除了各种基本功能的设计与单项技术的实现之外。还需要设计一套专用的软件系统，在QNX[17]实时操作系统下，把各种基本功能模块整合为子模块再嵌入到软件系统中。包括以下几个子模块：跟踪、路径规划、运动控制、姿态估测、驱动指令、传感器驱动、工程和操作界面，如图21所示。软件系统的目的就是把这些基本的功能模块，高效整合起来，保证机器人系统运转流畅。跟踪模块主要利用激光扫描仪，对目标实施追踪，或直接接受引导员的指令；借助视觉地形图和视觉测程结果，准确判断目标的位置和自身当前的位置姿态。路径规划模块利用已知的当前位置，结合地形图和激光障碍物检测结果；计算消耗地图，规划和平滑路径。控制模块借助IMU 和关节编码器数据、平滑轨迹结果；对步态实施规划，再生成驱动器的具体指令。驱动器硬件模块按照控制指令输出位置伺服和力伺服。传感器模块完成各种数据采集。姿态估计模块借助传感器数据实现姿态估测。

图21 软件系统基本框图

BigDog软件系统具有如下特点：基本功能模块和子模块数量多；实时性高；子模块之间存在严格的逻辑关系和数据交换。采用QNX实时操作系统，可满足BigDog软件系统的诸多要求。借助QNX的微内核架构，各个基本功能模块可独立运行，即使出现故障也不会造成整个内核的崩溃。QNX的实时性确保能够在限定的时间内完成规定的工作。利用进程间通信功能，可实现模块之间的数据读取和交换。利用优先级驱动对于存在先后逻辑关系的子模块实施调度。

NASA-JPL除了为BigDog设计视觉导航系统之外，也曾经为好奇号系列火星探测器设计过专用的被称为Clarity的移动机器人软件平台。BigDog 的软件系统也借鉴了相关的设计方法。

4.3 小结

早期的机器人软件系统可划到导航和运动控制系统的设计中分别实现。随着机器人技术的飞速发展，软件系统目前已经完全独立出来，成为机器人系统继结构、驱动、运动控制、导航之后的第五大组成部分。软件系统的设计是建立在机器人基本功能实现之上的一个新研究方向。软件系统设计的好坏直接影响了机器人的自主性和智能性。特别是人工智能领域的研究成果会被引入到机器人的研发之中，越来越多的声明式程序语言被引入到机器人的导航和软件设计之中，软件系统能够对较为模糊的指令做进一步的分解，比如LS3的语音呼叫功能。这对于提高机器人的自主性和智能性而言是非常重要的一种尝试。

5 自主性与智能性

5.1概况[18]

BigDog作为机器人区别于数控机床、各种常见移动装置，必有其特有的属性：自主性和智能性。机器人首先定位于无人直接驾驶，还要尽可能减少人工实时或延时的遥控。理想状态下的机器人只需接受目标点和工作任务指令，其余只依靠自身的运动控制系统和导航系统，完成目标点的自主寻找、局部自主定位、路径的自主规划、运动的自主执行、以及工作任务的自主实施。国际上最顶尖的移动机器人目前也无法完全达到以上设计要求。需要人工的介入，才能完成目标任务。

地形崎岖不平和障碍物特征复杂多变，是造成陆地移动机器人自主性和智能性设计难度大的主要原因。诸如BigDog和好奇号这样的陆地移动机器人，主要是行驶在坚硬的陆地表面，包括火星星表。虽然介质较为单一，然而由于地形的起伏不定，使得机器人的运动难度加大。同时各种不规则的障碍物和危险地形会对机器人造成潜在的威胁。迫使机器人系统必须具有很高的运动自主性，自主适应复杂的地形；同时还要具有很高的导航智能性，自主识别各种障碍物，找出安全可行走区域。

5.2 自主性[19]

自主性是指，机器人本体在机载导航系统的控制下或由人工遥控的情况下，独立实施各种功能运行；还包括机器人内部系统的自监控、自调整和自纠错能力，或者接受人工指令实施自调整和自纠错的能力。自主性体现的是机器人系统对自身机体的

2015年4月丁良宏：BigDog四足机器人关键技术分析15

掌控能力。可从三个方面对自主性做一阐述。

(1) 复杂地形适应性。由于机器人不具有人或四足哺乳动物的大脑思维分析和小脑的运动控制能力，它的自主性只能依靠初始设计的运动控制系统来实现。一旦进入复杂环境，只能利用已开发好的系统，应对各种可能的问题。当前来看，BigDog主要是地形和机身遭遇外力影响两大因素；好奇号主要是地形的影响。所以运动控制系统必须具有对复杂地形的适应和应变能力。借助各种内部传感器，机器人可完成各种状态参数的检测和获取，设定某些安全准则和控制原则，运动控制系统可使机器人始终处于安全的工作状态。无论何种原因，机器人一旦处于危险状态，控制系统必须能及时发现，并挽救机器人重回安全状态。自主性是机器人本体对地形和外力的下意识反应能力。无论机器人进入何种地形，控制系统利用事先设定的程序和恰到好处的功能调度与组合，能够让机器人克服地形造成的困难，从而安全行驶。

(2) 系统的可靠性。单项技术采用简单的方法，可以获得很高的可靠性。但是单一的功能无法解决复杂的问题，所以需要有机的组织和调取各种基本功能，组成一套复杂的动作，来解决复杂的问题。使得机器人系统复杂性升高的同时，功能得以增强，还保留了较高的可靠性。可满足长时间没有人工介入，仍然畅通运转的高标准要求。

系统的可靠性很大程度上还取决于硬件的质量。机器人可能会长时间缺少人工的维护，所以系统必须具有很高的可靠性，硬件必须质量高、性能稳定。好奇号及之前的机遇号、勇气号可长达数年在火星星表工作，完全得不到地球机器人必要的维护和检修、更换零部件等；显示了该系列机器人硬件超乎寻常的可靠性，能够经受住常年的沙尘暴、阳光暴晒、昼夜温差巨大等不利影响。机器人仍然能够正常运转，体现了系统非凡的自主性。

(3) 故障排除。硬件质量再好的机器人系统仍然无法长时间抵御环境造成的各种侵蚀，必然会出现各种故障。地球机器人可利用人工手动排除各种硬件故障。好奇号探测器对于软件系统的故障，可采取重启系统、定时更新、清零的方法解决常见故障。而对于可能出现的硬件故障，基本上是束手无策。勇气号停运的直接原因，就是一只轮子抱死无法旋转，造成了动力不足而无法行走于坡面环境。

BigDog机器人需要解决如何在不停止正常运转的情况下，还能及时排除系统的软件故障。BigDog若是重启系统，会造成机器人失去动力而瘫倒，无法在缺少人工监护的情况下实施。对于运动速度快，系统实时性要求高的机器人而言，全自主故障排除仍然具有相当的难度。

5.3 智能性[20-21]

智能性主要是指机器人对外界环境的感知和判断，并由此制定正确的移动路径规划和各种动作指令规划的能力。自主性是机器人的基本属性，智能性是机器人的本质属性。

智能性是机器人预判能力的一种表现。虽然BigDog具有很强适应复杂地形的运动能力，但是导航系统仍然要提早发现那些不理想的环境信息，提前设计理想的路径规划，避免进入危险区域。对于可能发生的环境伤害，机器人系统需要具有感知和预判力，趋利避害是基本目的。智能性使得机器人在一定程度上具有了像人或动物一样对环境信息的识别能力。但是当前机器人智能性与预期相比较，差距仍然很大。

相对于自主性，智能性的提高难度更大。既有传感器信息采集能力不足的问题，比如声音信息、嗅觉信息无法获取。更主要的是无法自动捕获和识别可能出现的非标准状态下的危险或者重要目标。视觉虽可采集场景的大部分图像信息，但是图像理解能力无法达到人或动物的水准。没有类似思维功能的技术方法参与数据分析和处理，制约了机器人智能性的大幅度突破。比如水坑是复杂地形常见的环境信息，但是借助视觉并不能准确预判水面的存在，甚至反误认为是理想水平地形，对于机器人而言可构成致命的威胁，损坏整个系统。程序数量的有限化，造成了有多少程序也就只能解决多少实际问题，也是机器人智能性无法大幅度提升的原因之一。剑式机器人，也是因为视觉导航系统无法自主准确识别敌方、己方、平民三类目标，所以无法投入实用。

相对于自主性主要是解决按类划分的有限量地形起伏变化的问题，智能性需要对几乎是无限量的环境信息需要准确的识别。因此，智能性的提高是当前非结构化环境陆地移动机器人研究的主要瓶颈之一。

5.4BigDog/LS3与好奇号的比较

BigDog机器人的自主性体现在运动控制系统的设计与实现。机体状态检测、运动控制地形估测、虚拟模型、各种运动学和动力学规划、步态调整、状态机等功能都属于典型的自主性行为，是机器人自我调整和反应的一种表现。接受和理解引导员的指令、视觉地形还原、激光跟踪和障碍物识别、构建环境地图、路径规划等都是机器人智能性的表现，是根据外界环境的变化，机器人独自所做出的一种判断和选择。

机械工程学报第51卷第7期16

目前正在火星上进行科考的好奇号探测器，具

有非常高的自主性和相当高的智能性，如图22所

示。虽然在地球试验场中，好奇号可实现一些复杂

环境的自主识别和全自主路径规划。然而，基于安

全的考虑，火星上的好奇号几乎全部是地球主控中

心发送运动控制指令，再实施运动。所以，虽然具

备很高的全自主导航能力，但实际不敢放手使用是

好奇号的一个显著特点。BigDog/LS3除了特殊情况

下，始终不脱离引导员的视野，即使出现硬件故障

或者遭遇险情，也可借助人工力量实施救援，这是

两种机器人实际应用的最大区别。

图22 好奇号火星探测器

自主性方面，好奇号由于无法借助人工的维护

和救援，所以系统自主运行的可靠性高过BigDog。

智能性方面，好奇号虽然也比较高，可识别复杂环

境，然而却几乎不敢实施全自主导航功能。但是

BigDog由于有引导员在附近，敢于大胆使用。所以

在智能性应用程度上，BigDog/LS3远超过火星上的

好奇号。引导员除了个别情况下需要直接呼叫机器

人，大部分情况都是机器人全自主实施导航和运动。

因此，在非结构化环境陆地移动机器人领域，

BigDog在自主性和智能性方面的研究与应用，都属

于比较彻底的。两种尖端陆地移动机器人自主性和

智能性对比如表4所示。

表4BigDog/LS3与好奇号自主性和智能性的比较

BigDog/LS3 好奇号

自主性全自主运动能能

运动控制指令完全自主主要靠地球硬件故障排除人工无法排除系统自检测能能

智能性全自主导航能能

环境感知机载全部机载全部数据处理

局部定位

机载全部

全自主

地球为主

全自主构建地图全自主地球路径规划全自主地球

使用安全性要求较高极高

放手程度可完全放手完全不放手

6 BigDog主要问题

BigDog无疑是当前所有腿类机器人中性能最

为理想的一个。从机械设计的角度来看，BigDog的

机体近乎完美，但在接近自身状态极限时，缺点和

不足也逐一暴露出来。从当前已经公开的信息可以

分析出BigDog主要存在三个方面的问题。

6.1 液压动力系统的问题

BigDog的液压系统虽然性能出众，但是也有其

自身无法回避的问题。液压的特性是有负载才有油

压输出，没有负载则油压消失，发动机转数下降至

零。BigDog高速奔跑跳跃这段视频，时速10 km/h，

在展示其高速性能的同时也暴露出其液压系统的弊

端，如图23所示。此时，发动机与机体分离，机器

人未加任何负载。奔跑跳跃的特点是四条腿长时间

处于腾空状态，根据视频的帧数可知，跳跃腾空时

滞空时间长达约0.3 s。一旦四腿同时离地，四条腿

各个肢体的载荷均大幅降低。汽油发动机的转数必

然呈下降趋势，四腿腾空时间越长，油压总路油压

值下降越明显。而落地时腿部与地面接触时间短并

且冲击载荷巨大，需要液压系统提供和起跳前接近

的油压输出。由于时间太短，汽油发动机无法瞬间

给油压总路实现大幅度增压。所以腿部的液压执行

器无法提供足够的支撑力，满足落地瞬间的动力输

出要求。腿部必然变软，造成机器人瘫倒。

图23 奔跑跳跃前足落地瞬间

而这段视频中，BigDog又能够实现安全落地继

续奔跑。原因在于汽油发动机可根据油压总路下接

的，第17个液压执行器终端固定载荷实施稳定的总

路高油压输出。这个特殊的执行器以及载荷，还有

汽油发动机固定在试验场地的某一位置，此时

BigDog通过两根油管把发动机生成的高油压引入

机载的油压总路、并导出减压后的液压油，再通过

机体的十六个电液伺服阀分配到各个执行器内部。

一旦四腿离地，肢体的载荷瞬间急剧下降，电液伺

服阀可以在油压总路和执行器之间实施油压的瞬间

状态转换，降低执行器内部油压。腿部落地以后，

2015年4月丁良宏：BigDog四足机器人关键技术分析17

电液伺服阀再根据各段肢体的动力需求把总路的高油压快速引入液压执行器。这样BigDog就仍然可以保持快速的奔跑。但是，发动机与机体分离的设计显然无法满足BigDog在非结构化环境任意行走的需求。LS3机器人谈到的主要优势是大负载能力，恰恰反映了液压系统的特点：不畏惧大负载，但是无法满足瞬间油压值大幅度增加的要求。

6.2 机械传动的问题

BigDog采用直线缸液压执行器作为关节驱动单元，虽然获取了大功率输出，但由于液压是直线输出，而腿类机器人的各段肢体是旋转运动。每一个肢体都存在三个转动环节：铰接销、执行器轴套机构、执行器固定螺栓。三个环节在肢体转动时，都有相应的转动。过松的配合会造成控制精度的下降，过紧的配合造成摩擦因数过大。无论如何摩擦消耗不可避免，而且腿部与地面的冲击载荷必然会加重这些转动环节的摩擦因数，并且随着BigDog 运动速度的加快，摩擦因数也会变大。摩擦会消耗动力系统大量的能量，摩擦释放的热量会对肢体造成热损伤，加速肢体特别是转动环节的机械硬损伤。肢体外侧包裹的防尘、防水帆布也不利于散热。冲击载荷造成的转动环节应力集中也是BigDog机械部分的主要损伤之一，如果连续在复杂地形行走或者大负荷运行时各个关节的载荷分布不均匀，局部由于连续的冲击发生机械变形，随后的进一步冲击和热损伤会造成转动部件的疲劳断裂。这种损伤在腿类运动执行机构的使用中是难以避免的，速度越快损伤概率越大。与同为机电产品的数控机床相比，BigDog机械传动问题要突出得多。

BigDog的肢体磨损必然影响其寿命，对于实用机器人而言是极为不利的，需要频繁更换磨损件。BigDog作为纯机械打造的刚性体，即便腿部有弹簧减震系统，但为了追求高速，必然要凸显其刚性的一面，才能获取地面更大的反弹力而快速运动。另外，弹簧在周期性的储能之后的释放阶段，会对支撑腿离地的运动状态稳定造成干扰。因此，随着运动速度的加快，纯机械打造刚性体的不利因素会更加突出，冲击载荷会对机械和液压系统造成很大的影响。机械部分的损伤和形变必然也会对控制精度造成直接不利影响。此外，重心颠簸起伏的运动特性在速度加快时会更加明显。这些不利因素都影响了BigDog速度的进一步提升。

6.3 仿生设计的不彻底性

机器人学本身是仿生学研究的一个主要分支，BigDog系列机器人自然不例外。在BigDog系统中，结构、运动控制和导航三大子系统都与仿生学有着密切的联系。结构仿生是四足仿生机器人最基本的仿生内容。BigDog肢体结构主要是仿生四足哺乳动物的肢体，但是马腿至少有8个自由度。BigDog目前最多只能实现四个主动外加一个被动。而且最关键的髋关节无法实现多轴性输出，采用串联结构。而四足哺乳动物借助多轴性的髋关节，可沿着横向、纵向、斜向任意实现运动输出。马术比赛中，骑士可控制赛马在原地或者小范围内灵活运动，做各种复杂的转向和机动，关键就是依靠髋关节的灵活性。结构仿生的不彻底性是当前BigDog仿生环节最大的问题。控制系统中的运动学规划由于受到结构仿生和传感器功能的局限性，也无法像四足哺乳动物那样做出各种复杂动作。

导航系统中立体视觉属于典型的仿生装置，利用视差可测出景深，与人眼极为相似。优点是比人眼测距的精度高得多；缺点是有效测量距离短，利用计算机图像处理无法识别水洼之类的危险地形。BigDog导航系统是模拟人类或四足动物的思维变化，再利用传感器和技术方法加以重复的过程。人或动物是借助思维的变化来对环境进行感知和识别。而机器人只能利用传感器和既定的程序模仿，并借助计算机实现这一过程。两者之间存在根本的差别，所以说机器人只是类人机器。液压动力系统则与仿生学毫无关系。

6.4小结

四足机器人的研究范围包括两大组成部分：四足机器人基本原理，目前主要靠仿生学研究推动其发展；实现机器人所采用的技术方法。当前，由于BigDog的设计与实现完全依赖于机械技术，所以它的缺陷主要都是由于机械技术自身的局限性所造成的。用钢类结构件和液压模仿骨骼与肌肉，本身就有些牵强。纯机械方法的局限性也是多轴性关节无法实现的根本原因。四足仿生机器人未来的发展之路，应该是纯仿生机构和驱动器的设计与研究，比如人造骨骼和人工肌肉；机器人自主性和智能性的提高也需要人工智能领域的协助。

7 LS3和猎豹、野猫

7.1 LS3四足机器人

LS3又称Alpha Dog，是BigDog的升级版，基本具备了实用能力，预计2015年投入使用，如图24所示。LS3可承受更大的负载，标准载荷182 kg，航程32 km，可全天候使用。LS3的动力系统还可为步兵班携带的电子系统实施战地充电。LS3的机体结构在基本延续了BigDog优点的同时，还针对BigDog的不足之处做了一些改进。主要包括髋部结构、自翻正功能等几方面，此外机体体积增大、发动机消除噪声也是改进的内容。

机 械 工 程 学 报 第51卷第7期

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图24 LS3结构示意图

(1) 髋部改进之处包括：结构、位置、液压执行器、仿生结构多样化等。

1) 髋关节纵向转动关节上移至机身中部，机身距地面的高度随之下降。机体重心的下降有利于增

强运动时的稳定性，特别是行走于复杂的山地环境。

2) 髋部纵向自由度与横向转轴之间存在偏置距离，而非采用BigDog 串联共面的结构布局，是

结构主要的改进之处。

BigDog 严格的串联结构尽管更加紧凑，但是并不利于髋部的横、纵两个自由度

的联动，灵活性较差。LS3髋部横、纵自由度采用了介于串联和并联之间的结构形式，但仍属串联构造。由于当前无法利用机械技术实现髋关节的多轴性机构，因此采用这种过渡型的机构，BigDog 与LS3髋部对比如图25所示。

图25 髋部自由度对比图

3) 每条腿的主动自由度数降为三个，恢复到BigDog 最初版本的情况。自由度的减少有利于控制系统更加高效的运行，降低了控制系统的复杂程度。髋部纵向自由度的液压执行器固定端改在大腿肢体之上，每条腿的三个自由度都是输出端与转轴接近，因此运动时摆幅都很大，这种改动不利于速度的提高，但是有利于低速状态下的灵活性。

4) 髋部横向自由度的液压执行器改为双液压缸结构。有利于增强液压执行器整体的刚性。抗冲击载荷和横向干扰的能力都得到提高，增强了横向的稳定性。LS3机器人为了提升适应复杂地形的能力，髋部横向自由度在初始状态时有一个较为明显

的内收动作。一旦存在大的横向外力或者由于地形变化存在的坡面，横向驱动器可直接增大油压以抵抗外力。而BigDog 需要做出侧摆动作之后，才能

找到平衡状态。

LS3机器人可预设一定的摆动角度，预防可能的侧向外力冲击或者地形干扰。优点是利用尽可能小的运动幅度获取更大的力或力矩输出，缺点是形成一定的内耗。

5) 机身重心位于纵向几何中轴线与机身下缘

的中间部位。设计基于以下几点：降低机体重心，底盘更稳；动力系统内置于机体的中心部位，便于保护；机身部分形成不倒翁的低重心结构。

6) 仿生结构多样化。LS3采用介于四足哺乳动物、四足爬行动物、六足昆虫之间的仿生髋部和腿部结构。LS3机器人髋部纵向转动关节平衡位置位于机身中部，是典型的类似于鳄鱼髋部位置的结构特点。优点在于对侧向扰动的抵抗能力增强，底盘低、稳定性能好，但是不便于快速跑动。LS3的腿部自翻正时还借鉴了六足昆虫的结构特点，如同蚂蚱的后腿。此外，仍保留BigDog 一样的哺乳类腿部的基本结构特点。

(2) 基于不倒翁的自翻正功能。四足机器人在山地等坡度较大的区域，很容易出现侧向摔倒的情况。如何在不借助外界帮助的情况下自主重新站立就显得非常关键。LS3机器人目前已具备了自翻正的功能。利用机身所设计的不倒翁低重心结构，再借助机身两侧椭圆形木制辅助装置实施站立。机身一旦横向摔倒，重心位于支撑点靠近机身中心一侧。在机体重力力矩的作用下，机身便可快速翻转，如同不倒翁一样恢复直立状态；髋部横向执行器外摆发力，机器人重新平稳站立，此时LS3机器人的腿部如同六足蚂蚱的后腿一样。

(3) 机身加长和体积增大。前后腿间距增大，行走时发生碰撞干涉的可能性大大降低；体积增大便于携带各种负载。发动机系统的噪声也大幅度下降，提升了隐蔽性。

LS3明确指向为山地环境下的实用机器人，在BigDog 的基础上，一些性能会有所取舍。由于液压、机体重量过大等原因，LS3速度并未提高。不追求高速度运行，与定位在山地环境使用有很大的关系。在复杂的山地环境，四足机器人并不需要像平地一样快速运动；而如果地形较平，轮、履带式就可满足了，也无需四足了。所以四足机器人的速度并非是衡量其性能的唯一指标，灵活的机动性和大负载也都很重要。LS3是波士顿动力目前所研发十款样机中最接近实用态的机器人。

2015年4月丁良宏：BigDog四足机器人关键技术分析19

7.2 猎豹四足机器人

猎豹是一款当前只能在跑步机上奔跑运动的四足机器人，如图26所示。猎豹为了追求速度，在BigDog基础上有了很多改动。腿部只保留髋部纵向和膝关节纵向两个自由度，取消髋部横向自由度。横向自由度主要是为了提高机器人横向的运动能力，取消意味着猎豹只能走直线。机身髋部前窄后宽，防止运动时前后腿发生干涉。机身刚体一分为二，腰部增加一个主动自由度，仿照野生猎豹的结构，可增大前后腿纵向的运动幅度，提高步幅，有助于提速，也增强了机身的灵活性。

图26 猎豹机器人

采用奔跑步态运动，在奔跑的大部分时间里总有腿部与地面保持接触，提高了奔跑时机体的稳定性。不足之处：动力系统与机体分离，无法独立运转，需要借助辅助装置保持液压系统提供大油压输出；只能在跑步机平坦地形运动；需要借助侧向辅助杆保持横向的稳定。

7.3 野猫四足机器人

野猫是定位在复杂地形下独立可快速奔跑的机器人。当前可在水平路面快速奔跑，最大速度26 km/h。野猫延续了LS3的基本结构，并在很多环节做了较大的改动，主要包括以下几方面。

(1) 机身刚体一分为三，中段机身作为控制基准，前段、后段分别利用一个直线缸液压执行器与中段相连，机体总自由度数量为14个，如图27所示。机身增加自由度的目的是增大腿部的纵向运动范围，加大迈腿步幅；同时可减弱机体重心的颠簸起伏程度。

图27 野猫机身结构图

(2) 大幅度减轻机体重量，采用更加简练的结构设计，在原始发动机功率不变的情况下，减重可以提升运动速度。

(3) 大腿、小腿驱动器改为摆动缸液压执行器，位置都靠近髋部，减轻了大、小腿运动时的转动惯量，使得腿部运动更加轻便。

(4) 跑动时尽量减少四腿腾空的时间，腾空时足底尽可能贴近地面。目的是防止四腿腾空时间过长造成的液压总路油压下降过大；跑动时大部分时间总有一条腿与地面接触，有利于保持机体的稳定性。

借助虚拟模型，运动控制系统可准确估算四腿腾空后迈步腿的落地时间，水平路面跑动还可利用闭环反馈及时消除机体运动误差。弹跳步态跑动时还可确保前双足、后双足能够同时落地，特别是转弯状态下。野猫机器人当前只能在水平路面实施奔跑，如果在崎岖不平的复杂地形跑动，也将面临着和BigDog同样的问题。如何识别地形的准确信息，确保足底支撑力尽可能在纵向平面内，避免横向运动对纵向运动的干扰。

BigDog机器人本身属于预言性的研究，而猎豹和野猫则属于预言中的预言，目前尚不具备实用的能力。正如RAIBERT所阐述的那样，当前并不在乎如何使用这些机器人，更关心的是关键技术的研发。所以BigDog系列机器人整体研究的一个目的就是，在关键技术方面寻求新的设计思路，并有所突破，为未来的实用机器人研究作技术铺垫。

8 阿特拉斯双足双臂机器人

8.1Petman双足机器人

Petman原型机可看成是半台16自由度的BigDog，结构和驱动如出一辙，但是脚踝部位增加了两个主动自由度，如图28所示。由于是单腿完成支撑倒立摆运动，需要把机体重心尽可能压在支撑腿之上，所以新旧支撑腿在移交机体重心时，髋部横向扭动过大，影响机器人的运动速度。Petman从外形上来看与人体极为相似，髋部的扭动比原型机明显减小，是因为上半身腰部增加了主动自由度。配合支撑腿的交替运动，腰部自由度协助调整机体重心的位置变化。两足的稳定性总体上明显不如四足，所以Petman机器人在运动能力上与BigDog差距仍然很大。

机 械 工 程 学 报 第51卷第7期

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图28 Petman 原型机(左)和Petman(右)

8.2 Atlas 机器人

8.2.1 机体结构

Atlas 属于典型的仿人型机器人，机体结构主要包括四大部分：双腿、双臂、腰腹髋部、胸背肩头部，如图29所示。其中，腰腹髋部为机械和控制的基准。Atlas 系列双足机器人在结构方面与BigDog 相比，除了机械臂之外，脚踝部自由度的结构设计是主要的创新点。28个液压关节分布如表5所示。

图29 Atlas 机体结构 表5 28个液压关节分布表

液压关节

数量

液压关节

数量

脚掌

踝关节横纵

2×2

大臂

轴向

1×2

小腿

小腿纵向 (膝关节)

1×2 径向

1×2

大腿

大腿纵向 1×2

小臂

髋部横向

1×2

轴向

1×2

腰腹 髋部

径向 1×2 轴、径

2×1 腕部

胸背 肩头

轴向

1×2

肩部轴向

1×2

径向

1×2

径向

1×2

手部

大臂

Atlas 小腿与脚掌之间有两个并排安装的液压执行器，可实现纵向、横向、斜向输出三种运动状态，如图30所示。严格的纵向运动：双液压执行器初始状态及液压流向完全一样，小腿绕纵向转轴与脚掌之间产生纵向运动。严格的横向运动：双液压执行器初始状态一致，但液压流向相反，小腿绕横向转轴与脚掌之间产生横向运动。斜向运动：横向运动结果之上，双液压执行器液压流向改为保持一致，横向运动之上再加上纵向运动。先纵后横，或先横后纵，可实现斜向输出，无法同时联动。腿部悬空时，脚掌以小腿为支撑实施运动；脚掌着地时，小腿以脚掌为支撑实施运动。相比BigDog/LS3，Atlas 除了髋部横向自由度之外，脚踝部位又增加一个斜向输出能力，目的是为了增强单腿支撑时腿部的运动能力。

图30 Atlas 脚踝结构

8.2.2 复杂地形行走

Atlas 借助宽大的脚掌充当一个支撑平面，可勉

强行走在复杂的乱石堆地形中。

Atlas 的每条腿相当于有两个横向自由度，以保持腰腹髋水平姿态为基本安全原则，及时调整两个横向自由度的运动，使得腿部兼顾支撑倒立摆的稳定还要尽可能保持腰腹髋部的水平，借助虚拟模型可准确还原机体运动状态。脚掌落地时，受地形影响，通常不会一次性踩稳。所以小腿在脚踝部位的姿态调整，与脚掌和地面之间的接触同时进行。造成了支撑腿多数情况下是在不稳定支撑面上的一个倒立摆运动，所以运动中机体稳定性较差。由于单腿支撑倒立摆比双腿的容错性差很多，Atlas 只能借助迈步腿的快速落地，利用新的支撑缓解可能的机体晃动。此外，机体重心尽可能位于纵向移动轨迹线的附近，防止侧偏，单腿支撑对横向运动的敏感度更强。总体来看，Atlas 适应复杂地形的潜能较为有限。也可以利用LS3的四腿移动平台，再配以Atlas 的机械臂，可解决复杂地形行走困难的问题。 8.2.3 机械臂的防碰撞功能

由于Atlas 拥有两个机械臂，并可能在非常狭

仿生机器人关键技术

仿生机器人关键技术 “仿生机器人”是指模仿生物、从事生物特点工作的机器人。，涉及到机械设计、计算机、传感器、自动控制、人机交互、仿生学等多个学科。因此，机器人领域中需要研究的问题非常多。主要研究问题包括以下五个方面： 1 建模问题 仿生机器人的运动具有高度的灵活性和适应性。其一般都是冗余度或超冗余度机器人，结构复杂，运动学和动力学模型与常规机器人有很大差别，且复杂程度更大。为此，研究建模问题，实现机构的可控化是研究仿生机器人的关键问题之一。 2 控制优化问题 机器人的自由度越多，机构越复杂，必将导致控制系统的复杂化。复杂巨系统的实现不能全靠子系统的堆积，要做到整体大于组分之和，同时要研究高效优化的控制算法才能使系统具有实时处理能力。 3 信息融合问题 在仿生机器人的设计开发中，为实现对不同物体和未知环境的感知，都装备有一定量的传感器。多传感器的信息融合技术是实现其具有一定智能的关键。信息融合技术把分布在不同位置的多个同类或不同类的传感器所提供的局部环境的不完整信息加以综合，消除多传感器信息之间可能存在的冗余和矛盾，从而提高系统决策、规划、反应的快速性和正确性。 4 机构设计问题 合理的机构设计是仿生机器人实现的基础。生物的形态经过千百万年的进化，其结构特征极具合理性，而要用机械来完全仿制生物体几乎是不可能的，只有在充分研究生物肌体结构和运动特性的基础上提取其精髓进行简化，才能开发全方位关节机构和简单关节组成高灵活性的机器人机构。 5 微传感和微驱动问题 微型仿生机器人有些已不是传统常规机器人的按比例缩小，它的开发涉及到电磁、机械、热、光、化学、生物等多学科。对于微型仿生机器人的制造，需要解决一些工程上的问题，如动力源、驱动方式、传感集成控制以及同外界的通讯等。实现微传感和微驱动的一个关键技术是机电光一体结合的微加工技术。同时，在设计时必须考虑到尺寸效应、新材料、新、工艺等问题。

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四足机器人步行腿的运动学正反解摘要：本文设计的步行腿具有3个驱动关节，分析了该步行机器人的机构及其等效简化，给出了运动学正反解，正解问题要比反解问题复杂很多。该分析方法准确率高，为步行腿的运动空间、轨迹规划和位置控制奠定了基础。 关键词：步行腿运动学正反解 abstract： in this paper， the design of walking legs with three drive joint analysis of the institutions of the walking robot and its equivalent simplified kinematics and inverse solution positive solution of the problem is much more complex than the inverse solution. the analytical method with high accuracy， and laid the foundation for walking space for the movement of the legs， trajectory planning and position control. keywords： walking legs kinematics positive and negative solution 0 前言 四足机器人的行走机构是步行腿，它是步行机器人中最为重要也是最复杂的构件[1]，步行腿的灵活度这届决定了步行机器人的行走姿态和完成任务的复杂程度。本文设计的步行腿具有三个驱动关节，采用混连机构设计。给出了步行腿的运动正解和反解，是整个四足步行机器人系统设计的基础，也是机器人运动空间分析和尺

新型四足机器人步态仿真与实现

M ac hine B uilding A uto mation,Jun 2008,37(3):21～23,33 作者简介:马东兴(1982—　),男,江苏省丹阳市人,在读硕士研究生,主要从事虚拟样机和四足机器人技术研究。 新型四足机器人步态仿真与实现 马东兴,王延华,岳林 (南京航空航天大学机电学院,江苏南京210016) 摘　要:研究一种背部带关节的新型四足机器人,通过三维建模软件Pr o /E 和机械系统动力学 仿真分析软件ADAMS 建立了四足机器人虚拟样机,规划了四足机器人的步态,并且利用AD 2AM S 仿真软件对该四足机器人进行了步态仿真,同时利用单个AT89C52单片机成功实现对四足机器人5个舵机的独立控制以及舵机的速度控制。仿真与实验结果表明四足机器人能够根据设计步态实现直线行走。 关键词:四足机器人;步态仿真;舵机;单片机中图分类号:TP24 文献标识码:A 文章编号:167125276(2008)0320021203 Ga it S i m ul a ti on and I m plem en t a ti on of a New Quadruped Robot MA Dong 2xing,WANG Yan 2hua,Y UE L in (Co ll ege o f M echan i ca l and E l ec tri ca l Eng i nee ri ng,N a n ji ng U n i ve rs ity o f Ae r o na u ti c s & A s tr o na u ti c s,N a n ji ng 210016,C h i na ) Abstract:A new qua drup e d r obo t w ith w a ist 2j o i nt is d iscu sse d i n this p ap e r .The virtua l p r o t o type o f quad rup ed r obo t is c re a te d by P r o /E a nd ADAM S a nd the ga it o f the r obo t is p l a nne d.The ga it s i m ul a ti o n of the qua drupe d r o bo t is do ne by ADAM S virtua lp r o t o ty 2p i ng so ft w a re.M e a nw hil e ,w e succe s sfull y con tr o l fi ve rudde r se rvo s by a s i ngl e AT89C52SCM a nd a lso rea li ze the ve l o c ity co ntr o l of the rudde r se rvo.The s i m ul a ti o n a nd e xp e ri m e nta l re sults show tha t the qua drup e d r o t w ith w a is t 2j o i n t ca n w a l k s tra i ght s te a dil y thr ough the de s i gned ga it . Key words:qua drup e d r obo t;ga it s i m ul a ti o n;rudde r se rvo;SCM 0　引言 与轮式机器人或履带式机器人相比,由于足式机器人的立足点是离散的点,可以在可能到达的地面上选择最优的支撑点,足式机器人对崎岖路面也具有很好的适应能力,因此足式机器人受到各国研究人员的普遍重视,目前已成功开发了多款足式机器人。例如日本东京工业大学 研发的TI T AN 2V III [1] 机器人,每个腿具有3个自由度,其 中大腿关节具有前后转动和上下转动2个自由度,膝关节具有1个上下转动自由度。采用新型的电机驱动和绳传动。上海交通大学马培荪等人研制的JT UWM 2III 四足机器人[2, 3] ,腿为开链式关节型结构,膝关节为一纵摇自由 度,髋关节为纵摇和横摇2个自由度。每一腿有3个自由度,共12个自由度。机体重心较高,与哺乳类动物相似,适应于动态行走。华中科技大学研发的“4+2”多足步行机器人[4, 5] ,其腿部件由髖关节、大腿关节、小腿关节和踝 关节四部分组成,大、小腿关节之间由线轮传动,每一腿有 3个自由度。但是先前研制的机器人的本体大多是一个 刚性整体,没有考虑机器人的背部关节。 因此,在分析卡内基梅隆大学(Carnegie Mell on Uni 2 versity )研制的RGR 仿壁虎机器人[628] ,以及韩国庆北大学(Kyungpook Nati onal University )设计的E L I RO 2II 四足步行机器人的基础上[9, 10] ,研究了一种新型四足机器人。 该机器人与传统的足式机器人相比,其机器人本体不再是 一个单一的刚性整体,而是在本体上用一个主动关节将机 器人的本体分为前后两个部分,通过背部主动关节的运动来实现四足机器人的直线行走。通过机械系统动力学仿真分析软件(aut omatic dynam ic analysis of mechanical sys 2te m s,ADAMS )对该四足机器人虚拟样机进行步态仿真,同时利用单个AT89C52单片机成功实现对四足机器人5个舵机的独立控制以及舵机的速度变化,四足机器人的直线行走平均速度达到12.14mm /s 。 1　四足机器人虚拟样机 1.1　四足机器人结构 传统的四足机器人每个腿有2个或3个自由度,本文研究的四足机器人结构简单,每个腿只有1个自由度,但是在机器人背部增加了1个自由度。四足机器人的结构如图1所示。该四足机器人有5个主动关节(图中关节1至关节5)和1个被动关节(6点),各关节的运动方向如图1所示。主动关节由舵机驱动。z 轴正方向为四足机器人前进方向。关节1至关节4四个主动关节可以使各腿在xoy 平面上下摆动。关节5可以使前后本体在xoz 平面转动。 1.2　四足机器人接触力 当足与地面之间发生接触时,这两个物体就在接触的 ? 12?

四足仿生移动机器人结构设计

毕业设计说明书 作者：学号： 系：机械工程学院 专业：机械设计制造及其自动化 题目：四足仿生移动机器人结构设计 指导者：副教授 评阅者：

目次 1 概述 ................................................ 错误！未定义书签。 1.1 绪论........................................... 错误！未定义书签。 1.2 国内外研究现状及关键技术....................... 错误！未定义书签。 1.3 本课题主要研究内容............................. 错误！未定义书签。 2 四足仿生移动机器人的结构设计原则及要求 ............... 错误！未定义书签。 2.1 四足仿生移动机器人的总体方案确定............... 错误！未定义书签。 2.2 机器人机械结构及传动设计....................... 错误！未定义书签。 3 电机的确定 .......................................... 错误！未定义书签。 3.1 各关节最大负载转矩计算......................... 错误！未定义书签。 3.2 机器人驱动方案的对比分析及选择................. 错误！未定义书签。 3.3 驱动电机的选择................................. 错误！未定义书签。 4. 带传动设计 .......................................... 错误！未定义书签。 4.1 各参数设计及计算............................... 错误！未定义书签。 4.2 带型选择及带轮设计............................. 错误！未定义书签。5工作装置的强度校核.................................... 错误！未定义书签。 5.1 轴的强度校核................................... 错误！未定义书签。 5.2 轴承的选型..................................... 错误！未定义书签。结论 ................................................. 错误！未定义书签。参考文献 ............................................ 错误！未定义书签。致谢 ................................................. 错误！未定义书签。

工业机器人常见五大应用领域及关键技术【最新整理】

工业机器人常见五大应用领域及关键技术 去年全球工业机器人销量达到24万台，同比增长8%。其中，我国工业机器人市场销量超过6.6万台，继续保持全球第一大工业机器人市场的地位。但是，按机器人密度来看，即每万名员工对应的机器人保有量，我国不足30台，远低于全球约为50多台的平均水平。 前瞻产业研究院《2016-2021年中国工业机器人行业产销需求预测与转型升级分析报告》数据显示：2015年我国工业机器人产量为32996台，同比增长21.7%。2016年机器人产业将继续保持快速增长，今年一季度我国工业机器人产量为11497台，同比增长19.9%。此外，数据显示，2015年我国自主品牌工业机器人生产销售达22257台，同比增长31.3%。国产自主品牌得到了一定程度的发展，但与发达国家相比，仍有一定差距。 2016年未来全球工业机器人市场趋势包括：大国政策主导，促使工业与服务机器人市场增长；汽车工业仍为工业机器人主要用户；双臂协力型机器人为工业机器人市场新亮点。 一、什么是工业机器人 工业机器人是一种通过重复编程和自动控制，能够完成制造过程中某些操作任务的多功能、多自由度的机电一体化自动机械装备和系统，它结合制造主机或生产线，可以组成单机或多机自动化系统，在无人参与下，实现搬运、焊接、装配和喷涂等多种生产作业。 当前，工业机器人技术和产业迅速发展，在生产中应用日益广泛，已成为现代制造生产中重要的高度自动化装备。

二、工业机器人的特点 自20世纪60年代初第一代机器人在美国问世以来，工业机器人的研制和应用有了飞速的发展，但工业机器人最显著的特点归纳有以下几个。 1.可编程。生产自动化的进一步发展是柔性自动化。工业机器人可随其工作环境变化的需要而再编程，因此它在小批量多品种具有均衡高效率的柔性制造过程中能发挥很好的功用，是柔性制造系统（ＦＭＳ）中的一个重要组成部分。 2.拟人化。工业机器人在机械结构上有类似人的行走、腰转、大臂、小臂、手腕、手爪等部分，在控制上有电脑。此外，智能化工业机器人还有许多类似人类的“生物传感器”，如皮肤型接触传感器、力传感器、负载传感器、视觉传感器、声觉传感器、语言功能等。传感器提高了工业机器人对周围环境的自适应能力。 3.通用性。除了专门设计的专用的工业机器人外，一般工业机器人在执行不同的作业任务时具有较好的通用性。比如，更换工业机器人手部末端操作器（手爪、工具等）便可执行不同的作业任务。 4.机电一体化。工业机器人技术涉及的学科相当广泛，但是归纳起来是机械学和微电子学的结合——机电一体化技术。第三代智能机器人不仅具有获取外部环境信息的各种传感器，而且还具有记忆能力、语言理解能力、图像识别能力、推理判断能力等人工智能，这些都和微电子技术的应用，特别是计算机技术的应用密切相关。因此，机器人技术的发展必将带动其他技术的发展，机器人技术的发展和应用水平也可以验证一个国家科学技术和工业技术的发展和水平。 三、工业机器人常见的五大应用领域 1.机械加工应用（2%） 机械加工行业机器人应用量并不高，只占了2%，原因大概也是因为市面上有许多

仿生四足机器人的研究：回顾与展望(3)

仿生四足机器人的研究：回顾与展望 摘要：本文侧重于仿生四足机器人。在这一领域的主要挑战是如何设计高动力性和高负载能力的仿生四足机器人。本文首先介绍了仿生四足机器人，尤其是具有里程碑意义的四足机器人的历史。然后回顾了仿生四足机器人驱动模式的现代技术。随后，描述了四足机器人的发展趋势。基于仿生四足机器人的技术现状，简要回顾了四足机器人的技术难点。又介绍了山东大学研制的液压四足机器人。最后是总结和展望未来的四足机器人。 一、导言 代替人类在复杂和危险的环境中工作的移动机器人的需求引起越来越多的关注，如煤矿井下，核电站，以及打击恐怖主义的战争。一般移动机器人可分为三种类型：空中机器人，水下机器人和地面机器人。地面机器人的开发主要是运用轨道或轮子。轮式和履带式机器人可以在平整地面工作，但大多数是无法在凹凸不平的地面上工作。换句话说，现有的地面机器人只能在部分地面工作。与轮式和履带式机器人相比，腿式机器人有可能适应更为广泛的地形，就像如同有腿的动物，几乎可以行走在所有的地形。例如，羚羊具有很强的运动能力，即便在高度复杂的环境中也一样。因此，近些年人们积极地投入腿式机器人的研究中。腿式机器人可以去动物能够到达的地方，应该要构建并运用于实际。尽管机器人技术领域取得了巨大成就，腿式机器人仍然远远落后于它们的仿生学 [1，2]。 基于机械结构，腿式机器人可分为步行机器人和爬行机器人。与爬行动物的机器人相比，步行机器人几乎与躯干垂直的腿被认为更适应载重。步行机器人可以有效地承受更大的载重。具有联合执行机构的步行机器人具有良好的行走速度和运输能力。因此，基于哺乳类动物的仿生机器人的研究已成为机器人领域的重要发展方向。 现已有一、二、三、四甚至更多条腿的腿式机器人。最普遍的是具有高效率步态和稳定性能的偶数条腿的腿式机器人[3]。在腿式机器人中，四足机器人具

外文翻译---四足机器人的步态适应

附录 Gait Adaptation in a Quadruped Robot 1. Introduction A short time after birth a foal can walk and then run. It is remarkable that the animal learns tocoordinate the many muscles of the legs and trunk in such a short period of time. It is not likely that any learning algorithm could program a nervous system ab initio with so few training epochs. Nor is it likely that the foal?s locomotor controller is completely determined before birth. How can this a- bility be explained? How can this ability be incorporated into the control system of a walking machine? Researchers in biology have presented clear evidence of a functional unit of the central nervous system, the Central Pattern Generator (CPG), which can cause rhythmic movement of the trunk and limb muscles(Grillner and Wall′en, 1985). In adult animals, the output of these cells can generate muscle activity that is very similar to activity during normal walking, even when sensory feedback has been eliminated (Grillner and Zangger, 1975). The CPG begins its ac- tivity before birth, although its activity does not appear to imitate the details of a particular walking animal, it is apparently correlated with the animal?s class, i.e., amphibian, reptile, mammal, etc. (Bekoff, 1985; Cohen, 1988).Apparently, the basic structure of the CPG network is laid down by evolution. How is this basic structure adapted to produce the detailed coordination needed to control a walk- ing animal? The answer to this question is important to robotics for the following reason. CPGs have been well studied as a basic coordinating mechanism (Cohen et al., 1982; Bay and Hemami, 1987; Matsuoka, 1987; Rand et al., 1988; Taga et al., 1991; Collins and Stewart, 1993; Murray, 1993; Zielinska, 1996; Jalics et al., 1997; Ito et al., 1998; Kimura et al., 1999). However, the details of how this system can automatically adapt to control a real robot are not clear. A good goal would be to describe a general strategy for matching a generic CPG to a particular robot in real-time, with a minimal amount of interaction with the environment.

机器人关键技术分析

机器人关键技术分析 一、机器人传感器 机器人是由计算机控制的复杂机器，它具有类似人的肢体及感官功能;动作程序灵活;有一定程度的智能;在工作时可以不依赖人的操纵。机器人传感器在机器人的控制中起了非常重要的作用，正因为有了传感器，机器人才具备了类似人类的知觉功能和反应能力。 为了检测作业对象及环境或机器人与它们的关系，在机器人上安装了触觉传感器、视觉传感器、力觉传感器、接近觉传感器、超声波传感器和听觉传感器，大大改善了机器人工作状况，使其能够更充分地完成复杂的工作。由于外部传感器为集多种学科于一身的产品，有些方面还在探索之中，随着外部传感器的进一步完善，机器人的功能越来越强大，将在许多领域为人类做出更大贡献。 内传感器、位置(位移)传感器 主要有：速度和加速度传感器、力觉传感器、外传感器、触觉传感器、应力传感器、近度传感器、声觉传感器、接触式或非接触式温度传感器、滑觉传感器、距离传感器、视觉传感器。 二、机器人的机械设计 根据题目对所设计的机器人的要求，确定了要设计的机

器人的类型；确定机器人的自由度；拟定机器人手部的负载；从总体上确定机器人机械部分的设计方案；拟定关节型机器人控制系统总体方案；根据机器人的工作要求和结构特点，进行了机器人的总体设计，确定了机器人的外形尺寸和工作空间，拟定了机器人各关节的总体传动方案，对机器人腰关节结构进行了详细设计，合理布置了电机和齿轮，确定了各级传动参数，进行了齿轮、轴和轴承的设计计算和校核。利用齐次变换矩阵法建立了六自由度关节机器人的正运动学模型，求出机器人末端相对于各自参考坐标系的齐次坐标值，建立了在直角坐标空间内机器人末端执行器的位置和姿态与关节变量值的对应关系。对所设计的机器人进行理论计算；对其初步进行了运动学分析和动力学分析；确定机器人的驱动方式；对机器人机械系统的各组成部分进行具体的设计；确定各主要零部件的尺寸；确定各个部分的具体结构；利用Pro/E软件建立整个机器人结构的简单模型。 三、机器人程序设计 机器人编程为使机器人完成某种任务而设置的动作顺序描述。机器人运动和作业的指令都是由程序进行控制，常见的编制方法有两种，示教编程方法和离线编程方法。其中示教编程方法包括示教、编辑和轨迹再现，可以通过示教盒示教和导引式示教两种途径实现。由于示教方式实用性强，操作简便，因此大部分机器人都采用这种方式。离线编程方

四足机器人设计报告

四足机器人设计报告 摘要：本文介绍了四足机器人（walking dog）的设计过程，其中包括控制系统软硬件的设计、传感器的应用以及机器人步态的规划。 一、本体设计： walking dog的单腿设置髋关节和踝关节两自由度，能在一个平面内自由运动（见图1.1）。采用舵机作为机器人的关节驱动器，其单腿结构图见（图1.2）。为了便于步态规划，设计上下肢L1、L2长均为65mm。四肢间用铝合金框架连接，完成后照片见（图1.3）。walking dog 的每只脚底均有一个光电传感器，能有效检测脚底环境的变化。walking dog的头部为一个舵机，携带光电反射式传感器，能探测前方180度75cm内的障碍物。 图1.1 四足机器人模型图1.2 单腿结构 图1.3：完成后照片 二、控制系统设计 为了使机器人能灵活地搭载各种传感器以及实现不同的步态，将底层驱动单元与上层步态算法平台分开。因为walking dog的各关节均为舵机，特设计了16路舵机驱动器作为底层驱动单元，用来驱动机器人全身各关节。并设计了上层算法平台，将各关节参数通过UART 实时地发送到底层驱动单元。图2.1为系统框图。

图2.1：系统框图 1、底层驱动单元设计 图2.2给出了舵机的工作原理框图，电动机驱动减速齿轮组,并带动一个线性的电位器作位置检测,控制电路将反馈电压与输入的控制脉冲信号作比较,产生偏差并驱动直流电动机正向或反向转动,使齿轮组的输出位置与期望值相符。 图2.2：舵机工作原理框图 针对舵机这一特性，设计底层驱动器的系统结构图见图2.3。Mage8的16位定时器分时产生16次定时中断，中断子程序产生移位脉冲，通过4N25光偶隔离输入到移位寄存器，实现各路PWM信号高电平部分的分时产生。图2.4为定时产生脉冲的中断处理流程，图2.5例举了产生4路PWM信号的波形图。实际电路原理图见附录1。 图2.3：16路舵机驱动器结构图

四足仿生移动机器人结构设计

河工大 毕业设计说明书 作者：学号： 系：机械工程学院 专业：机械设计制造及其自动化 题目：四足仿生移动机器人结构设计 指导者：张副教授 评阅者： 2013年 5月 29日

目次 1 概述 ................................................ 错误！未定义书签。 1.1 绪论........................................... 错误！未定义书签。 1.2 国内外研究现状及关键技术....................... 错误！未定义书签。 1.3 本课题主要研究内容............................. 错误！未定义书签。 2 四足仿生移动机器人的结构设计原则及要求 ............... 错误！未定义书签。 2.1 四足仿生移动机器人的总体方案确定............... 错误！未定义书签。 2.2 机器人机械结构及传动设计....................... 错误！未定义书签。 3 电机的确定 .......................................... 错误！未定义书签。 3.1 各关节最大负载转矩计算......................... 错误！未定义书签。 3.2 机器人驱动方案的对比分析及选择................. 错误！未定义书签。 3.3 驱动电机的选择................................. 错误！未定义书签。 4. 带传动设计 .......................................... 错误！未定义书签。 4.1 各参数设计及计算............................... 错误！未定义书签。 4.2 带型选择及带轮设计............................. 错误！未定义书签。5工作装置的强度校核.................................... 错误！未定义书签。 5.1 轴的强度校核................................... 错误！未定义书签。 5.2 轴承的选型..................................... 错误！未定义书签。结论 ................................................. 错误！未定义书签。参考文献 ............................................ 错误！未定义书签。致谢 ................................................. 错误！未定义书签。

智能机器人关键技术及其发展趋势

智能机器人的关键技术及其发展趋势 机器人是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。按联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义，即为：一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可用电脑改变和可编程动作的专门系统。 而智能机器人有相当发达的“大脑”。在脑中起作用的是中央计算机，这种计算机跟操作它的人有直接的联系。它给人的最深刻的印象是一个独特的进行自我控制的“活物”。其实，这个自控“活物”的主要器官并没有像真正的人那样微妙而复杂。到目前为止，在世界范围内还没有一个统一的智能机器人定义。大多数专家认为智能机器人至少要具备以下三个要素：一是感觉要素，用来认识周围环境状态；二是运动要素，对外界做出反应性动作；三是思考要素，根据感觉要素所得到的信息，思考出采用什么样的动作。 智能机器人根据其智能程度的不同，又可分为三种： 传感型机器人，又称外部受控机器人。机器人的本体上没有智能单元只有执行机构和感应机构，它具有利用传感信息（包括视觉、听觉、触觉、接近觉、力觉和红外、超声及激光等）进行传感信息处理、实现控制与操作的能力。受控于外部计算机，在外部计算机上具有智能处理单元，处理由受控机器人采集的各种信息以及机器人本身的各种姿态和轨迹等信息，然后发出控制指令指挥机器人的动作。目前机器人世界杯的小型组比赛使用的机器人就属于这样的类型。 交互型机器人，机器人通过计算机系统与操作员或程序员进行人－机对话，实现对机器人的控制与操作。虽然具有了部分处理和决策功能，能够独立地实现一些诸如轨迹规划、简单的避障等功能，但是还要受到外部的控制。 自主型机器人，在设计制作之后，机器人无需人的干预，能够在各种环境下自动完成各项拟人任务。自主型机器人的本体上具有感知、处理、决策、执行等模块，可以就像一个自主的人一样独立地活动和处理问题。机器人世界杯的中型组比赛中使用的机器人就属于这一类型。全自主移动机器人的最重要的特点在于它的自主性和适应性，自主性是指它可以在一定的环境中，不依赖任何外部控制，完全自主地执行一定的任务。适应性是指它可以实时识别和测量周围的物体，根据环境的变化，调节自身的参数，调整动作策略以及处理紧急情况。交互性也是自主机器人的一个重要特点，机器人可以与人、与外部环境以及与其他机器人之间进行信息的交流。由于全自主移动机器人涉及诸如驱动器控制、传感器数据融合、图像处理、模式识别、神经网络等许多方面的研究，所以能够综合反映一个国家在制造业和人工智能等方面的水平。因此，许多国家都非常重视全自主移动机器人的研究。 下面就机器人的控制技术以及列举几种常见的机器人对当前智能机器人的关键技术进行分析。

仿生四足机器人的研究：回顾与展望

仿生四足机器人的研究：回顾与展望 Yibin Li, Bin Li, Jiuhong Ruan and Xuewen Rong, Member, IEEE 摘要：本文侧重于仿生四足机器人。在这一领域的主要挑战是如何设计高动力性和高负载能力的仿生四足机器人。本文首先介绍了仿生四足机器人，尤其是具有里程碑意义的四足机器人的历史。然后回顾了仿生四足机器人驱动模式的现代技术。随后，描述了四足机器人的发展趋势。基于仿生四足机器人的技术现状，简要回顾了四足机器人的技术难点。又介绍了山东大学研制的液压四足机器人。最后是总结和展望未来的四足机器人。 一、导言 代替人类在复杂和危险的环境中工作的移动机器人的需求引起越来越多的关注，如煤矿井下，核电站，以及打击恐怖主义的战争。一般移动机器人可分为三种类型：空中机器人，水下机器人和地面机器人。地面机器人的开发主要是运用轨道或轮子。轮式和履带式机器人可以在平整地面工作，但大多数是无法在凹凸不平的地面上工作。换句话说，现有的地面机器人只能在部分地面工作。与轮式和履带式机器人相比，腿式机器人有可能适应更为广泛的地形，就像如同有腿的动物，几乎可以行走在所有的地形。例如，羚羊具有很强的运动能力，即便在高度复杂的环境中也一样。因此，近些年人们积极地投入腿式机器人的研究中。腿式机器人可以去动物能够到达的地方，应该要构建并运用于实际。尽管机器人技术领域取得了巨大成就，腿式机器人仍然远远落后于它们的仿生学 [1，2]。 基于机械结构，腿式机器人可分为步行机器人和爬行机器人。与爬行动物的机器人相比，步行机器人几乎与躯干垂直的腿被认为更适应载重。步行机器人可以有效地承受更大的载重。具有联合执行机构的步行机器人具有良好的行走速度和运输能力。因此，基于哺乳类动物的仿生机器人的研究已成为机器人领域的重要发展方向。 现已有一、二、三、四甚至更多条腿的腿式机器人。最普遍的是具有高效率步态和稳定性能的偶数条腿的腿式机器人 [3]。在腿式机器人中，四足机器人具有良好的机动性和运动稳定性，而典型的双足机器人，缺乏运动的稳定性。从系统和控制器的设计上来看，四足机器人也是一个不错的选择。另一方面，四足机器人在构建和维护上又比六足要简单。四足机器人比轮式或履带式机器人更加灵活，并比双足机器人稳定。因此，许多研究人员和组织在生物动态步态的启发下致力于四足机器人的研究，以使机器人具有高平衡能力和高负载能力。在一般情况下，为了提高运动稳定性，增加步行速度和运输能力，就需要具有大带宽和高输出功率的液压执行机构。机器人控制系统，即用来控制四足机器人动作，步态生成和转换，应在在未来得到研究和解决。 本文组织如下：在第二部分回顾了四足仿生机器人的历史和驱动模式的发展趋势。第三部分介绍了四足机器人的发展趋势。然后，在第四部分分析了四足机器人的技术难点。第五部分介绍了中国山东大学正在开发的液压四足机器人。最后一部分是总结和展望未来的四足机器人。 二、四足仿生机器人的历史 本节回顾具有联合执行机构的四足仿生机器人的历史。我们首先关注基于仿生学的四足机器人的发展现状。然后回顾了四足机器人的驱动模式的发展趋势，

机器人与关键技术解析

机器人与关键技术解析 机器人（robot）一词，最早出现在1920年捷克科幻作家恰配克的《罗索姆的万能机器人》中，原文作“Robota”，后来成为英文中通行的“Robot”。更科学的定义是1967年由日本科学家森政弘与合田周平提出的：“机器人是一种具有移动性、个体性、智能性、通用性、半机械半人性、自动性、奴隶性等7个特征的柔性机器。” 国际机器人联合会将机器人分为两类，工业机器人和服务机器人。工业机器人是“一种应用于工业自动化的，含有三个及以上的可编程轴的、自动控制的、可编程的、多功能执行机构，它可以是固定式的或移动式的”。服务机器人则是“一种半自主或全自主工作的机器人，它能完成有益于人类健康的服务工作，但不包括从事生产的设备”。从定义可见，分类的标准是机器人的应用场合。 一般的机器人都由机械结构、控制驱动系统、感知系统、交互系统等部分组成。 图1 一般机器人的系统构成 近年来工业机器人供应量在大多数行业都呈现出上涨的态势。而服务机器人发展历史较短。其在功能上的主要不同体现在两个方面：一是与人的沟通协作；二是在复杂环境下代替人的部分工作。

发展现状 仿生机器人 “机器人”这个名称本身就带有仿生学色彩，目前已有不少类人机器人、机器狗等产品问世，这些产品大部分只具有娱乐功能。然而2013年底在美国佛罗里达州Homestead举办的DARPA机器人挑战赛则将仿生机器人推到了救灾救援的应用领域。该赛事设计了通过布满障碍物的门、崎岖路行走、破拆墙面、连接消防栓、转动阀门等八项比赛任务，吸引了来自世界各地的16支仿生机器人团队。从比赛任务的设置可以看出，比赛非常鲜明地突出了仿生机器人在救灾救援方面的应用。经过激烈的角逐，日本Schaft公司生产的HRP-2机器人最终夺魁。来自弗罗里达的一家非盈利机构和卡耐基-梅隆大学分获二、三名。值得一提的是，Schaft机器人已在早些时候被Google收购，而第二、四名团队所用的Atlas 机器人也来自Google旗下的Boston Dynamics。作为世界上最具创新实力的科技公司之一，Google的收购行为也表明了仿生机器人具有一定的市场前景。 机器人在救援救灾方面，与人类相比具有巨大的优势，可以极大提高搜救效率和减少人员伤亡。但同时，从该赛事也可以看出，所有的机器人在比赛中都出现过故障，甚至有3支代表队最终得了零分。即使完成比赛，机器人的动作也显得呆板迟钝。这些都表明目前的仿生机器人技术还不成熟，具

汽车工业机器人关键技术和存在的技术难题摘录一我国工业机器人

汽车工业机器人关键技术和存在的技术难题 摘录一： 我国工业机器人的市场主要集中在汽车、汽车零部件、摩托车、电器、工程机械、石油化工等行业。中国作为亚洲第三大的工业机器人需求国，市场发展稳定，2007年共装配了约6,581台工业机器人，较上年安装的5,770台上升了百分之十四点零五，汽车及其零部件制造仍然是工业机器人的主要应用领域，随着我国产业结构调整升级不断深入和国际制造业中心向中国的转移，我国的机器人市场会进一步加大，市场扩展的速度也会进一步提高。本文就当前工业机器人的关键技术及其应用进行了梳理。 机器人控制技术 机器人控制系统是机器人的大脑，是决定机器人功能和性能的主要因素。工业机器人控制技术的主要任务就是控制工业机器人在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹、操作顺序及动作的时间等。具有编程简单、软件菜单操作、友好的人机交互界面、在线操作提示和使用方便等特点。关键技术包括：(1)开放性模块化的控制系统体系结构：采用分布式CPU计算机结构，分为机器人控制器(RC)，运动控制器(MC)，光电隔离I/O控制板、传感器处理板和编程示教盒等。机器人控制器(RC)和编程示教盒通过串口/CAN总线进行通讯。机器人控制器(RC)的主计算机完成机器人的运动规划、插补和位置伺服以及主控逻辑、数字I/O、传感器处理等功能，而编程示教盒完成信息的显示和按键的输入。(2)模块化层次化的控制器软件系统：软件系统建立在基于开源的实时多任务操作系统Linux上，采用分层和模块化结构设计，以实现软件系统的开放性。整个控制器软件系统分为三个层次：硬件驱动层、核心层和应用层。三个层次分别面对不同的功能需求，对应不同层次的开发，系统中各个层次内部由若干个功能相对对立的模块组成，这些功能模块相互协作共同实现该层次所提供的功能。(3)机器人的故障诊断与安全维护技术：通过各种信息，对机器人故障进行诊断，并进行相应维护，是保证机器人安全性的关键技术。(4)网络化机器人控制器技术：目前机器人的应用工程由单台机器人工作站向机器人生产线发展，机器人控制器的联网技术变得越来越重要。控制器上具有串口、现场总线及以太网的联网功能。可用于机器人控制器之间和机器人控制器同上位机的通讯，便于对机器人生产线进行监控、诊断和管理。 移动机器人（AGV） 移动机器人（AGV）是工业机器人的一种类型，它由计算机控制，具有移动、自动导航、多传感器控制、网络交互等功能，它可广泛应用于机械、电子、纺织、卷烟、医疗、食品、造纸等行业的柔性搬运、传输等功能，也用于自动化立体仓库、柔性加工系统、柔性装配系统（以AGV作为活动装配平台）；同时可在车站、机场、邮局的物品分捡中作为运输工具。国际物流技术发展的新趋势之一，而移动机器人是其中的核心技术和设备，是用现代物流技术配合、支撑、改造、提升传统生产线，实现点对点自动存取的高架箱储、作业和搬运相结合，实现精细化、柔性化、信息化，缩短物流流程，降低物料损耗，减少占地面积，降低建设投资等的高新技术和装备。 点焊机器人 焊接机器人具有性能稳定、工作空间大、运动速度快和负荷能力强等特点，焊接质量明显优于人工焊接，大大提高了点焊作业的生产率。点焊机器人主要用于汽车整车的焊接工作，生产过程由各大汽车主机厂负责完成。国际工业机器人企业凭借与各大汽车企业的长期合作关系，向各大型汽车生产企业提供各类点焊机器人单元产品并以焊接机器人与整车生产线配