少驱动四足机器人设计与仿真

谢伟林，聂 华，孙容磊，孙柏杨

1 引言

传统轮式机器人对地形要求比较高，无法适应复杂地形，比如一些火灾或地震等灾害现场。而模仿自然界的四足动物（如猎豹）的四足机器人，相比于传统的轮式机器人具有更大的灵活性，可以适应比较复杂的地形，代替人类进入危险区域，完成传统轮式机器人无法完成的任务。目前，国内外在四足机器人领域展开了大量研究[1-9]。国外，美国波士顿动力学工程公司的“BigDog”[1-2]四足机器人采用液压缸为腿部驱动元件，机身采用框架式结构，它可以适应多种复杂地形，包括走室内楼梯和爬坡。Semini的“HyQ”[3-4]机器人采用电，液混合驱动，可以实现四足机器人的跑动和跳跃动作。国内，山东大学[6]设计出高性能的液压驱动四足机器人SCalf，并实现了机器人平稳快速运动。上面提到的四足机器人每个关节都配有一个独立的驱动源。

事实上，四足动物的关节运动具有协同性[10]。这里的协同性是指四足动物在某种步态下各关节运动的角度并不是相互独立的，而是具有一定的协同性。换言之，少量的生物信号输入以协同的方式控制复杂的关节运动。四足动物的这种运动特点可以简化四足机器人的设计和控制；软件上减少控制输入，硬件上减少电机数量，减轻重量。尽管国内外利用生物关节运动的协同性设计机器人的研究[10-14]已经开展，比如文献[13]运用主成分分析方法对人在跑步机上做不同动作和在不同运动速度下的运动数据进行主成分分析，设计出驱动电机数目少于人类关节数的二足机器人，但仍然没有利用少驱动重构四足生物步态的机器人相关设计。……