四足机器人行走运动平台结构设计【开题报告】v6.0

附件B：
毕业设计（论文）开题报告

1、 课题的目的及意义
1.1 课题研究背景
目前，机器人的移动主要是轮式、履带式、步行、爬行、蠕动等。然而 ，地
球上大多数的地面都是崎岖的，不能为传统的轮式或履带式到达，而自然界的很
多动物却可 以在这些地面行走自如、跨越障碍。它们经历了自然界数百万年间的
选择，已经进化出适应各种环境的生 理特征，给了研究人员很大的启发。步行是
大多哺乳动物的移动方式，对环境有很强的适应性，可以灵活 的进入相对狭小的
空间，可以自由跨越障碍、上下台阶等等。以此，研究步行机器人有着较强的实
际意义。现在的步行机器人的足数分别为单足、二足、四足、六足等等。足的数
目多时，机器人比较适 合重载和慢速运动；二足或者四足机构的机构相对简单，
更加灵活。与二足相比，四足机器人的承载能力 强、稳定性能更好，在抢险救灾、
探险、娱乐及军事等多个领域有很好的应用前景，其研究工作也备受重 视
[1]
。
2005年，Boston Dynamics公司首次公开了其历经十余载研究而成的仿生四足
机器人Big Dog
[2]
，在互联网上引起了全球公众的热议。Big Dog灵活的机动性、
强 大的抗干扰能力以及优异的环境适应能力成为当今各国四足机器人研究的典型
代表。尽管如此，从生物进 化的角度来说，四足动物的体型结构和运动方式产生
了以载重-适应性和高速- 灵活性两大功能异化的分支
[3]
。Big Dog则是环境适应能
力和运动稳定性方 面世界最高水平，然而，对高速运动方面的四足机器人却鲜见
研究。高速运动的哺乳动物（尤其是猎豹） 以独特的骨骼结构、步态特征、高效
的能量转化效率成了仿生四足机器人高速灵活性研究的新方向。在D ARPA的M3
计划支持下
[
4
]
，Boston Dynamic s公司和MIT仿生机器人实验室均进行了仿猎豹式
机器人的研究，并推出了两款样机。尤其Bosto n Dynamics公司的机器人还一举打
破了足式机器人奔跑的纪录，达46kmh，使仿猎豹机器 人成为新的研究热点。

1.2 四足机器人研究现状
1.2.1 国外研究现状
早在 1899 年，Muybridge 最早借助影像设备，进行了有关家猫、狗、骆驼
和 马等动物的高速运动研究。然而之后的一个世纪人们对四足机器人的研究都仅
仅停留在静稳定步态行走的 水平上。从早期的 GE 四足电控步行车
[5]
（图 1.1）到
具有脊柱环节的 BISAM 机器人
[6]
（图1.2），这些机器人在任何时刻都可在支撑

< br>腿的支撑作用下保持静态平衡，而摆动腿则移动至新的落足点进行支撑腿与摆动
腿的转换，并继续 保持稳定平衡状态。

图1.1 GE四足电控步行车 图2.2 BISAM四足机器人
上世纪 80 年代，Raibert 等人首次将 SLIP 模 型
[7,8]
应用于足式机器人研究，
开发出了一系列具有直线伸缩式的腿部结构的单 足、双足、四足机器人，也第一
次实现了机器人的动态步行运动
[9,10]
。如图1 .3所示，Raibert率先研制出以 1ms 速
度前进的动步行单足液动机器人
[11]
。该机器人由一条可直线运动的腿和髋关节组
成，基于同样的控制原理，Railbert 和他的团队研制了径向无约束的三维跳跃奔跑
机器人
[12]
。

图1.3 Raibert研制的2D和3D跳跃机器人
在单腿跳跃机器人运动控制的推动下 ，Railbert进行了双足和四足机器人动步
行的研究。1986年MIT- Leg
[13]
和MIT 四足机器人
[14]
问世（如图1.4）。Rai lbert扩
展了原有单腿弹跳机器人步态控制策略，利用虚拟腿的方法将其应用于四足机器
人 系统中，并实现了四足运动的三种步态即trot、pace（同侧腿）和bound步态
[15]。

图1.4 四足动步行机器人
2000年，加拿大McGill大学的Martin Buehler等人设计了腿部带有线性弹簧
的四足机器人Scout II
[16,17]< br>，如图1.5。该机器人以实现高速稳定运动为目标，将系
统结构形式简化为每条腿由一个主动驱 动关节和一个由直线弹簧连接的被动驱动
关节组成。围绕Scout II系列机器人，Poulaka kis等人进行了大量的有关平面被动
奔跑模型的研究，探讨了模型的被动稳定性和弹跳高度、前进速度 、俯仰角度等
机体姿态与腿部着地角度的关系，建立了以腿部着地角度和髋关节力矩为控制参
量 的奔跑控制方法
[18-20]
。

图1.5 Scout II机器人
在众多四足机器人样机中，美国 Boston Dynamics公司2005年推出的Big Do g
四足机器人以其优异的环境适性、卓越的抗干扰特性和强劲的负载能力代表了当
今仿生机器人 研究的最高水平，令同时期的四足机器人难以匹敌，如图1.6。2010
年DARPA 启动LS3（Legged Squad Support System）计划，进一步开展极端环境
下四足机器人稳定行走研究。

图1.6 Big Dog四足机器人
为了获得更高的运动速度，研究人员进行了一系列大胆而又创新的仿生结构
与控制方法研究。2011年，美国HRL实验室开展了面向高速运动所需的仿猎豹后
腿研究， 利用气动与电动混合驱动的形式，引入双作用肌肉、肌腱等多种新的设
计思路，研制了一款仿猎豹后腿样 机，如图1.7，并进行了摆腿与蹬踏实验

图1.7 HRL实验室的仿猎豹后腿
在四足机器人高速运动研究方面，Boston Dynamics公司和MIT仿生机器人实
验室是典型代表。由Boston Dynamics公司 研制的猎豹型四足机器人以46kmh的
奔跑速度创下了足式机器人的奔跑记录。如图1.8
[ 21]
，该机器人根据猎豹的生理与
运动特性设计了脊柱关节并简化了腿部结构，在奔跑中该机 器人可以像动物一样
通过弯曲脊柱来增加步幅和速度。与Boston Dynamics公司原理上的 仿生设计不同，
MIT仿生机器人实验室则更多地关注于形态学仿生设计。相似的骨骼肌肉结构，
甚至还设计了头部和尾部来实现在高速运动下的转向，如图1.9所示
[22]
。

图1.8 Boston Dynamics的猎豹机器人 图1.9 MIT的猎豹机器人
1.2.2 国内研究现状
我国四足机器人研究相对国外起步较晚，随 着科学技术的发展，国家对机器
人技术的资金及人力投入，经过几十年地不懈努力取得了大量的研究成果 。到目
前为止，中科院沈阳自动化研究所、清华大学、华中科技大学、上海交通大学、
哈尔滨工 业大学等高校及研究所对四足机器人进行了研究。在研究者的不断专研
下，成功研制出一系列四足机器人 样机。
2004年，清华大学成功研制出模仿哺乳动物运动控制的四足机器人
Biosbot
[23]
。该机器人重5.7Kg，总体尺寸为400mm×320mm×300mm，如图1 .10所
示，采用伺服电机驱动，每条腿具有3个自由度，在足端安装有位置传感器。Biosbot< br>机器人采用中枢模式发生器（CPG）控制系统，实现了机器人Walking（慢走）、
Tro t(对角小跑)两种步态之间的转换，对复杂的地形具有较强的适应能，能够完成

10度 坡度上下坡行走、跨越20mm的障碍物，最大的运动速度可达240
mms
。胡
昶等 人利用形状记忆合金新型材料作为执行元件，通过控制通、断电来控制四足
机器人的运动
[24 ]
。

图1.10 Biosbot四足机器人
上海交通大学用数年时间 开发了JTUWM系列四足机器人，先后研制了全方
位小支撑仿哺乳动物四足机器人JTUWM- II
[25]
，动态步行四足机器人JTUWM-III
[26]
。在JTUWM- II机器人研究中，提出了使机器人实际控制的重心沿多折线行走
的转弯步态。JTUWM- III机器人利用了JTUWM-II对角步态研究成果，仿四足动
物腿部结构设计，总重量为37.5 Kg，外形尺寸为810mm×750mm×300m，如图1.11
所示。该机器人每条腿具有3个关 节，每个关节通过电机驱动，并在足端安装了
测力传感器以实现反馈控制。JTUWM-III机体重心 较高，适合于动态行走，具有
较高的运动稳定性，但其最大运动速度为55.6mms，速度仍然是机器 人运动的一
大制约因素。

图1.11 上海交通大学JTUWM-III机器人
哈尔滨工业大学在现有移动机器人结构形式研究基础上，设计了一种轮足混
合式机器人HIT- HYBTOR
[27]
。该机器人采用轮－腿复合式结构，每条腿具有3个
自由度，足 端安装有独立驱动轮，如图1.12所示。它结合了轮式机器人高速运动
及足式机器人环境适应性的优点 ，运动方式可根据外界环境的变化而变化。

图1.12 HIT- HYBTOR机器人
2004年，华中科技大学研制了“4+2”多足机器人
[28]
，长1240mm，宽920mm，
高550mm，如图1.13所示。该机器人在关节腿外形基础上 结合了缩放式机构运动
解耦的优点，充分利用了小腿的运动空间，确保了腿－臂互换功能的实现。当遇< br>到复杂的地形时，该机器人可以运用六条腿进行稳定步态行走，当有工作任务时，
机器人的两条腿 可以变成两条操作臂进行作业。机器人“MiniQuad”
[29]
是华中科
技大学 研发的可以实现可容错及可重构的另一款机器人。

图1.13 MiniQuad四足机器人
在国家“863”项目资助下，南京航空航天大学研制了仿壁虎四足机器 人，根
据壁虎的行走分析，规划了对角步态及三角步态两种不同运动步态。北京汉库实
验室设计 了四足爬行机器人BIO-12，该机器人选用高强度、刚性材料，结构设计
巧妙，采用静步态方式，能 够实现平地前进、后退、转弯。山东大学成功研制出
我国第一款液压驱动四足机器人
[30]< br>，该机器人能够实现walk、trot、pace三种步态
的运动。中科院合肥智能机械研究所 研制了通过模糊控制和CPG控制器控制的四
足机器人TIM1，该机器人采用电机驱动，能够实现平面 上静态行走。

图1.14 仿壁虎四足机器人 图1.15 BIO-12机器人


1.3 四足机器人关键问题综述
四足机器人的驱动方式多种多样，有静电肌肉驱动、直线电机驱动、气压或
者液压驱动、舵机驱动、步 进电机驱动等。驱动的选择应该针对设计的要求。现
有的四足机器人多采用了仿生的思路，但是由于驱动 器以及动作原理的差别，各
种四足机器人也形态各异。因此，现在研究主要其中在驱动器的选择、腿部构 型
的确定、腿部节段的选择、步态仿真等
[
31
-
33
]< br>。
1.3 目前足式机器人的腿部结构
1.3.1 开环关节连杆机构
在 早期的步行机器人的研究中，一般是借鉴了仿生学，模仿动物的腿部结构
来进行设计的。这种结构一般是 关节式的连杆机构。

图1.16 开环关节连杆机构
如图1.16所示为一个具 有3自由度的开环连杆机构。该机构有髋关节和膝关
节，大小腿组成。髋关节具有两个自由度，膝关节具 有一个自由度。这种机构的
和真实动物的腿部结构相当类似，具有良好的灵活性，在步行过程中遇到失稳 情
况时，也能较为迅速的调整，具有良好的恢复能力。然而，这种机构也有些缺点，

因为大小腿之间的运动时相互耦合的，因此在协调控制时，可能比较麻烦。
在驱动方面，这种机构 通常由电机驱动。当机器人比较庞大时，可以把较小
的电机直接放在关节处来驱动。但是，如果终端的质 量越大，机器人腿部摆动时
的转动惯量就越大，从而造成运动的不利。因此，常常考虑将电机放置在机器 人
的躯干以及腿的上部，利用链轮、同步轮、齿轮等传动方式来传递运动。
一般来说，由于电 机的结构，电机轴不承受弯矩，只传递扭矩，因此，电机
所在的机架必须设计出承担弯矩的部件。 该机构还可以通过气压（例如美国凯斯西储大学的puppy）或者液压（美国波
士顿动力的Big Dog）来驱动，来避免传统的电机驱动无法满足四足机器人快速运
动的设计要求。原因有如下几点：1 电机的功率相对不足；2电机的工作状态不理
想，电机通常只有转速达到一定值才能实现额定功率的输出 ，而足类机器人关节
摆幅通常只有30°~50°，因而电机始终处于低速、小转角、往复加减速的工作 状
态，低功率输出且自身内耗太大；3电机的附带装置太多，既占空间又增加重量，
增大了计生 的设计难度；4需要拖电缆或者背负电池，不利于野外环境的自由行走。
动过采用了液压或者气动装着， 可以较好的解决这样的问题，也可以更好的模仿
动物肌肉的运作模式。然而，传统的液压系统也存在着一 些问题，例如漏油和密
封以及冲击载荷导致的更为严重的漏油、活塞杆的形变等等。
1.3.2 闭环平面四杆机构
（1）四连杆机构（埃万斯机构）
该机构以及其衍 生机构都是利用连杆曲线的轨迹作为阻断轨迹。该种机构能
够克服开环结构承载能力低的缺点，具有良好 的刚性，而且功耗较小，有着较为
广泛的应用。

图1.17 四连杆机构
如图1.17所示是一种常见的平面四杆步行机构，其中Z轴驱动器用于支撑机
体的重量或者升降机体 ，而X和Y轴的驱动器用于推动机体的前进，简化了协调
控制。缩放式腿部结构具有比例特性，可以将驱 动器推动距离按比例放大为足端
运动距离。但是这种机构也有一些缺点：1无论是圆柱坐标还是直角坐标 的缩放机

构，都至少需要两个线性驱动关节，使得机械结构较大，质量较重；2机器人足 端
的运动范围受驱动距离的限制，难以得到大的运动空间。
（2）平面五杆步行机构
平面五杆机构是一种简单的并联结构，它最大的一个特点就是其输出的轨迹
是柔性可调的而且它具有较 强的承载能力。它的两个输入端一般是输入常速变量
和伺服变量的混合驱动输入，常速电机主要提供运动 所需要的主要驱动功率，而
伺服电机提供一定的运动调节。五杆机构的输出轨迹具有柔性可调的特点，同 时
又具备了四杆机构承载能力强的特点，使得机器人具有较强的灵活性。但是五杆
机构有两个自 由度，它们相互耦合，控制室较为复杂。

图1.18 五杆机构
1.3.3 各个机构的对比
上述的机构中，开环结构由于结构本身的特点，足端的移动距离比较大，而
且 机构不像四杆机构存在死点，机构比较简单，电机易于排布。然而，机构的刚
性较差，容易产生传动误差 ，而且不易控制。传统的四杆机构刚性较大，传动误
差比较小，但是会产生死点，运动的范围比较小。五 杆机构虽然比较灵活，控制
准确。但是这种机构有两个驱动源，机构比较累赘，使得机器人的重量和体积 增
加。
1.3.4 机构的选择
综合各种考虑，本文将采用改进的四杆机构，如图1.19所示：

图1.19 MIT的猎豹机器人
如MIT的cheetah机器人，以前腿为例，肩胛骨依靠机架上的电机驱动， 肱骨
的上端通过连杆连接在机架上的电机上面，桡骨的上端通过连杆于肩胛骨相连。
这种结构运 用了连杆机构，避免了电机安装在关节处，减小了肢端的惯量，使得
四肢运动的更加灵活。同时，通过连 杆机构，解决了开环机构的不稳定性。
1.4 研究目的及意义
高速步行机器人在运动时， 需要面临较强的着地冲击力，较快的能量转换，
自身承担的重量等问题。本课题以猎豹为对象进行仿生研 究，根据其生理特征设
计出运动灵活、高速的四足步行机器人。根据其步态特征
[7-9]，设计出适合机器人
的运动步态。根据其步行的特点，选择合理、经济的驱动方式。利用原理性简化
模型和关节式腿部模型的研究成果构建仿猎豹机器人高速运动仿生系统
[4]
。利用虚
拟样机验证系统的合理性，为后续的实体样机的构建提供理论依据。

2、课题任务、重点研究内容、实现途径
2.1 课题任务
查阅文献，深入了 解并对比现有的步行机构的性能特点，选择设计出基于
步进电机驱动的仿猎豹型四足机器人；根据猎豹的 步态特征和关节摆动角度，设
计机器人运动方案；利用ADAMS对搭建的机器人模型进行仿真分析，优 化高速
仿豹四足机器人运动系统。
系统设计流程图

设计机器人腿< br>部连杆机构
确定机器人各
关节摆动幅角
根据猎豹生理
尺寸设计机器各节段尺寸
机器人运动步
态规划
调整参数
搭建机器人仿
真模型< br>掌握拉格朗日
动力学分析法
和逆分析法
ADAMS仿真
完成毕业设计< br>任务

2.2 重点研究内容
1. 设计合理的腿部关节连杆机构
2. 确定四肢节段的尺寸
3. 设计电机的摆角和转矩
4. 规划运动步态模型
2.3 实现途径
1. 目前足式机器人的研究比较成熟，有大量关节式结构的资料，能够充 分了
解各个腿部关节机构的特点，为设计提供参考。
2. Milton & James的 实验测出了猎豹在奔跑步态时关节的摆动幅角和产生的
力矩，这些资料可以为机器人关节电机的设计提供 理论依据。

3. 在解剖学和形态学方面，研究人员对猎豹身体各个骨骼的尺寸有比较 精确
的测量，为机器人各个节段的尺寸提供了设计依据。
4. 目前对步态研究也比较成熟， 可以得到动物在各个步态腿部相位图。有利
于本课题对机器人运动状态的设计。
5. 现有的 动力学分析方法（如拉格朗日分析法）以及动力学分析软件
（ADAMS）的运用可以实现对机器人模型 动力学分析，以便于进一步设
计优化机器人虚拟样机。



3、进度计划
序号 起止周次 工 作 内 容
熟悉机构学、CADCAM 技术及仿生学等方
面的知识，探索仿生运动机理，并查阅相关
资料，翻译英文文献，完成文献综 述与开题
报告。
完成仿生四足机器人结构方案设计，运动学
分析与运动步态规划。
完成机器人三维模型建模及动力学仿真。
分析研究结果，撰写毕业论文，准备答辩。
1
1周至 4 周

2
3
4

5周至 8周

9周至 13 周

14周至 16周

学生签名：

年 月 日

4、指导教师意见




指导教师签名：
校外指导教师签名：

年 月 日

参考文献

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