四足仿生机器人单腿系统

第36卷第1期2014年1月

DOI ：10.3724/SP.J.1218.2014.00021

机器人ROBOT

V ol.36, No.1Jan., 2014

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－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)-01-0021-08

Leg Prototype of a Bio-inspired Quadruped Robot

LI Mantian ，JIANG Zhenyu ，GUO Wei ，SUN Lining

(State Key Laboratory of Robotics and System , Harbin Institute of Technology , Harbin 150080, China )

Abstract:To realize the dynamic running of quadruped robots, a bio-inspired hopping leg prototype based on hydraulic actuation is developed. Firstly, the DOF (degreeof freedom) configurationof a robot leg is discussed according to the anatomic analysis of quadruped mammals. Secondly, the trotting simulation on flatterrain is carried out to obtain the torque output characteristics of joints. Thirdly, the hydraulic actuators, joint driver mechanism and the 4DOF leg prototype are designed based on the analysis of simulation results, as well as the control system. At last, the test bench for the leg prototype is constructed to test the performance of the leg in vertical hopping experiments, in which the validity of the mechanical and control system design and the algorithms are verified

Keywords:quadruped robot; hydraulic actuation; bio-inspired design

1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[2-4]．此后，SOUT 、KOLT 等以动步态为主要运动方式的四足机器人纷纷问世[5-12]．为了追求更高的动态性能，很多学者从带有弹性元件的单腿系统入手开展四足机器人研究．Kim 和Lewis 则仿照猎豹运动特点，开发了两款针对高速奔跑运动的单腿系统[13-14]．国内也对四足机器人的单腿系统和单足弹跳机器人开展了相关研究[15-17]．近年来，液压驱动器因其出力大、重量轻等原因在以BigDog 为代表的四足机器人上得到广泛应用．Semini 等人在开发液压驱动的四足仿生机器人HyQ 之前，对其单腿系统设计和弹跳实验做了相关研究[11-12]．

在机器人动步态行走过程中，机身运动产生的

四足哺乳动物在进化过程中，分化出体型不同、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法，以及野外复杂环境下的应用潜力而成为机器人研究领域的热点[1]．学者在开发四足仿生机器人的过程中，因研究目标、控制算法的不同，对机器人本体结构、驱动方式等有不同的考虑．而单腿系统不仅是决定机器人运动能力的关键因素，也是整机开发过程中重要的前期研究平台，为此国内外学者也对机器人单腿的结构设计和控制方法给予了充分关注．

Raibert 于20世纪80年代在分析弹簧负载倒立摆（SLIP ）动力学特性的基础上，先后实现了单

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（61005076，61175107）；机器人技术与系统国家重点实验室自

主课题（SKLRS201006B ，SKLRS201204B ）．

通信作者：郭伟，[email protected]收稿／录用／修回：2013-03-13/2013-04-24/2013-07-15

惯性力、足端－地面的接触力等因素对腿部关节的输出特性提出了新的要求，而传统的分析手段难以对这些因素进行全面的考虑．为此，本文在四足机器人动步态行走仿真的基础上，设计了基于液压驱动方式的四足仿生机器人单腿系统，并通过其纵向弹跳实验，验证了设计的合理性和控制算法的可行性．

拟生物的跟腱等弹性环节，能够减弱足端与地面在接触时的冲击，实现机器人在动步态运动中的能量循环利用以提高能量利用率．机器人自由度配置如图2所示．

2

四足机器人构型分析与仿真（Configura-tion analysis of quadruped robot and sim-ulation ）

四足哺乳动物结构特点

2.1

由四足哺乳动物解剖学和形态学研究结果可知（如图1），其前、后腿腿部关节往往采用膝肘对顶的配置方式，这有助于改善俯仰运动的稳定性．生物的腿部一般包括髋、膝和踝3个关节，共有4个自由度．在生物行走过程中，肩胛和骨盆实现了腿部运动空间的扩展．腿部的多个自由度使得生物能良好地适应各种地形，灵活地调整身体姿态和运动步态．以踝关节处连接的跟腱为代表的弹性储能元件在善跑的动物如猫科、犬科动物的腿部结构上都有较好的体现，并在其奔跑过程中发挥了巨大作用．这为四足机器人的研究提供了良好的仿生学借

鉴．

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图2机器人自由度配置

Fig.2The DOF configurationof robot

2.3机器人仿真分析

拟研制的四足机器人长1.2m ，宽0.5m ，质量120kg ，可携带50kg 负载，采用液压驱动方式．本文通过计算机仿真分析，获得机器人在典型工况下的各关节输出特性，进而确定驱动器的相关参数．为此结合四足机器人总体研究目标，在ADAMS 环境下建立理想环境下的机器人虚拟样机模型，如图3所示．

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图1四足哺乳动物骨骼结构Fig.1Skeleton of quadruped mammals

2.2机器人腿部自由度配置

为简化机器人结构和控制，机器人的前后腿机械本体采用了相同设计，并模仿生物的膝肘对顶配置．机器人腿部共分为4个节段．节段1模拟四足哺乳动物的肩胛和骨盆环节，在扩展腿部运动空间的同时，改善各关节的受力情况；节段2和3模拟生物腿部结构；此外在根关节处增加节段0和腿部的横摆运动自由度，以提高机器人在侧向外力作用下的抗扰能力．因此，机器人腿部共有4个主动自由度，包括髋关节（2

个转动自由度）、膝关节和踝关节．此外，在机器人腿部末端配置弹性元件，模

Fig.3

图3四足机器人仿真模型

Model of quadruped robot in simulations

仿真模型中腿部配置4个自由度，分别为：髋关节的2个摆动自由度、膝关节的1个回转自由度及踝关节的1个回转自由度．并且在足端配置1个直线被动自由度．初选整机质量为120kg ，增加50kg 外负载，给予完备的传感信息输入．在ADAMS 与Matlab 联合仿真平台中，实现了机器人以1.2m/s的运动速度在平坦路面上的行走．

机器人腿部运动分为着地相和腾空相两个阶段，而由于机器人大部分质量集中于机体上平台，

因此着地相的受力会明显大于腾空相．因此在数据分析中，主要考虑腿部着地相的关节受力．根据仿真获得的足端接触力和腿部各关节转角数据可获得各个关节在运动着地相中所受的外力矩．图4所示为机器人仿真模型中髋部前摆关节的受力情况．髋前摆关节运动范围为−15◦至5◦（相对初始位置）．其中当相对初始状态角位移为−3◦时，关节输出扭矩最大，约为500N ．这为机器人的机构设计和驱动器选型提供了依据．

600400t o r q u e /(N ∙m )

2000−200−400−600

−angle /(°)

a 2+c 2−b 2

h =a sin arccos

2ac

T =Fh

(2)(3)

式中，F 为液压缸输出力，P 为液压缸两端的压力差，D p 为液压缸活塞直径，D r 为液压缸杆直径．

假设液压缸原长为c 0，伸长后长度为c 1，则节段相对摆动角度φ可由下式计算获得：

a 2+b 2−c 2a 2+b 2−c 210

φ=arccos −arccos (4)

2ab 2ab

通过前期仿真研究，已经得到了机器人在不同步态下的关节最大转速、最大输出力矩以及最大功率．在机构设计的过程中，综合考虑这些因素，通过配置旋转关节和液压缸连接点的相对位置，优化液压缸相对于腿部关节的作用力臂，保证在极端条件下液压伺服阀的流量和液压缸的输出力在合理的范围之内．此外，为了方便维护和调试，机器人各个关节均选用相同尺寸液压缸．除了考虑各个关节的输出特性之外，还需考虑机器人液压动力系统与16个液压缸所需的总流量和压力之间的匹配关系．

图4仿真中髋关节力矩特性

Fig.4The torque characteristics of hip joint in simulation

3

3.1

仿生腿部设计（Design of the bio-inspired leg ）

腿部驱动设计

为了减小腿部摆动对机身位姿的影响，需要尽量减轻腿部的质量和转动惯量．为此选用功重比大的双作用液压缸作为腿部驱动器，并采用如图5所示的曲柄摇块机构实现节段之间的相对旋转．图中a 为液压缸头部连接轴至节段连接轴间距，b 为液压缸尾部连接轴至节段连接轴间距，c 为液压缸长度，h 为液压缸输出力相对节段连接轴的力臂，T 为关节输出扭矩，φ为节段在液压缸作用下的摆动角度．

图6液压驱动单元

Fig.6Hydraulic actuator package

图5髋关节驱动机构

Fig.5The driver mechanism of hip joint

该机构的力矩输出特性可由以下公式给出：

π2

F =(D 2(1)p −D r ) P 4

经过反复的尝试和分析，选定双作用等速对称

液压缸作为腿部驱动单元．在液压缸设计中还集成有伺服阀、位移传感器和力传感器．图6为机器人上应用的一体化液压伺服驱动单元实物图．关节由安装在相邻两部件间的直线液压缸提供驱动力，通过伺服阀对流经液压缸的液压油流量和压力进行调节，实现关节的运动控制以及输出力控制．关节的转角通过安装在液压驱动单元上的直线位移传感器换算得到；驱动关节的力矩利用安装在液压缸上的1维力传感器测得的液压缸输出力以及解算得到的驱动力相对旋转轴线的力臂计算获得．

通过配置相关参数，得到如图7所示的髋前摆关节输出特性图．图中虚线为关节力矩相对关节位移的输出曲线，较好地包围了仿真曲线．为了给其他步态留出充足裕量，关节的摆动位移扩大为±20◦．

600400t o r q u e /(N ∙m )

2000−200−400−600

−20

−15

−10

−5

05angle /(°)

10

15

20

装直线线性弹簧以减少足端与地面的冲击并实现动步态下能量的循环利用．足端被动弹簧与凹槽式滚动花键副并联，保证弹簧的变形方向，花键套和花键轴分别通过上端和下端的夹紧块连接，并在轴上加工螺纹安装弹簧预紧力调节器．足底为外表面挂胶的半圆柱体，橡胶表面加个横向和纵向沟槽提高

缓冲能力和摩擦力．足底内部安装3维力传感器，测量足端接触力．

3

图9单腿节段3结构示意图

Fig.9Geometry of

the structure

of section 3in a leg

图7仿真结果与实际设计中的髋关节力矩特性对比Fig.7The comparison of the torque

characteristic in hip

joint

between simulation and design

机器人单腿结构的设计

如前所述，机器人的腿部由4个节段组成，机

体和腿部以及腿部节段之间通过旋转关节连接，其中踝关节与足端之间为弹性被动关节，其余关节为主动关节．每个主动关节都配置一个一体化液压伺

服驱动单元．

髋部关节机械结构设计如图8

所示．如前所述，髋关节包括前摆和横摆两个自由度，为此在此处配置了2个液压缸．其中横摆液压缸头尾分别连接到横摆连接架（即节段0）和机体框架上，实现腿部横摆动作．横摆连接架采用镂空式的类桁架结构，在减轻自重的同时，保证结构件强度和刚度．连接架前后各安装一段钢轴，通过一对圆锥滚子轴承连接到机体．为了给机器人机身上平台中安装的控制系统和液压动力系统预留空间，横摆液压缸被布置在靠近机器人的机体两端．髋关节前摆液压缸头尾分别连接到节段1和横摆连接架，实现髋关节前摆运动．膝、踝前摆关节设计与髋前摆关节设计基本相同，在此不再赘述．

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3.2

此外由于机器人腿部安装有多个液压驱动单元和传感器，因此在结构设计中充分考虑了液压系统油管的布置和传感、控制系统的走线，为管路、驱动器和传感器预留空间和安装接口．腿部结构3维模型如图10所示．

00

12

33图8髋关节结构图

Fig.8Structure

of the hip joint

图10单腿主要部件

Fig.10The major components in a leg

腿部末端节段如图9所示，节段3上端连接踝腕关节，末端为机器人足端．在设计中，节段3安

为减小腿部质量和惯量，本文选用高强度铝合

金7075-T651作为腿部结构本体材料，并利用有限元分析方法优化结构设计，在降低结构件重量的同时保证机器人腿部结构的强度和刚度．图11为未

安装液压缸的机器人腿部结构本体实物图．

(c)腿控制器（下位机）采用DSP 为核心控制器，主要负责：(1)采集每个关节的力／位传感器信息，并进行AD 转换；(2)DA 转换产生液压阀控制信号；(3)与主控计算机实现CAN 总线通讯；(4)执行液压缸位移／力伺服控制算法（1kHz ）．

CAN

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PC104-CAN

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A/D 3㔤 Ր

PC104 㓯

图11无液压驱动器的腿部结构图

Fig.11Picture of the leg prototype without hydraulic cylinders

图12单腿控制系统框图

Fig.12The control system of the leg

4

4.1

单腿控制系统设计（Design of the leg con-trol system ）

控制系统硬件设计

考虑到四足机器人驱动器／传感器节点个数多、信息实时性要求高、信息集中处理的特点，控制系统形态采用分层总线控制结构，如图12所示，具体实现形式如下：

(a)主控计算机和状态监控计算机通过无线以太网进行信息交互，在保证大数据量传输的同时，利用高带宽满足高速同步控制的需求．

(b)主控计算机（上位机）采用PC104构架x86计算机，主要功能模块包括：CAN 总线模块、AD 采集模块、无线适配器模块．其中，CAN 总线模块实现与腿控制器（下位机）的数据收发功能，AD 采集模块实现足底3维力传感器数据采集功能，无线适配器模块实现与以太网中其他设备的信息交互功能．

这种模块化多总线式控制系统在保障了不同速度与数据量传递与处理的同时简化系统线路布局，提高了控制系统的可扩展性和可维护性．另外，控制系统中还预留了多条CAN 总线、以太网、USB 总线和RS232等数据接口，以便扩展四足机器人系统，例如增加动力监控系统、本体状态感知系统以及环境状态感知系统等环节．

腿控制器是实现四足仿生机器人高速、灵活运动的基础．这就对控制器动态响应能力和大范围稳定性能提出了较高要求．为此设计了如图13所示的基于DSP 的液压伺服控制系统．伺服控制器通过AD 芯片采集液压缸上集成的位移／力传感器信息，结合CAN 总线获得的指令信息作为系统输入．DSP 芯片内的控制算法利用反馈信息和指令信息计算得到控制输出，并通过DA 芯片和信号转换电路输出到伺服阀，实现液压作动单元的位置伺服或力伺服．

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DA 䖜 㣟⡷

DSP28335

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图13液压伺服控制器硬件结构

Fig.13Hardware structure of the hydraulic servo system

主控系统和DSP 控制系统硬件实物如图14所

示．

图14控制系统硬件实物图（左图为主控计算机，右图为

DSP 控制器）

Fig.14The pictures of controllers (maincontroller in left, and

DSP controller in right)

状态，进行自检、报错处理等．子线程负责执行采集传感器数据、执行控制算法、发送控制指令、与地面站通信、人机交互等工作．所有子线程经初始化、检测系统状态后，同步开始循环工作．

实现系统各种功能的子线程主要包括以下几种：(1)腿关节期望控制指令发送子线程（4个关节液压缸期望位移和期望力）；(2)腿关节反馈状态接收子线程（4个关节液压缸反馈位置和力及末端弹簧反馈位移）；(3)足底3维力传感器反馈数据接收子线程；(4)与状态监控系统的网络通讯子线程；(5)记录和保存数据子线程．控制系统软件流程图如图15所示.

4.2控制系统软件设计

5弹跳实验（Hopping experiment ）

四足机器人主控计算机软件平台采用qnx 多任务实时操作系统，软件系统由主线程和多个子线程组成．主线程主要负责分配系统变量，设定系统时钟，开启和终止各子线程，检测其他子线程运行

5.1实验平台搭建

本文搭建如图16所示的机器人单腿实验平台以进行系统性能测试．平台内包括机器人的单腿子系统，模拟机体自重和负载的砝码质量块、单腿运

图15控制软件流程图

Fig.15The flowchart of the control software

动约束机械结构，其中运动约束机构由支撑框架、直线轴承和光杆组成，直线轴承与单腿上平台机体相连．约束机构使机体能够在垂直方向上自由运动而限制机体其它5个自由度．其中单腿自身质量为16.5kg ，调试台中单腿的支撑框架及其配重的质量为20kg ．由外部液压泵站提供腿部液压系统所需

的液压油．此在着地过程中根据腿部长度的反馈信息对目标轨迹进行实时修正．图18所示为运动过程中踝关节驱动液压缸位移曲线．当控制系统检测到足端落地之后，延时0.12s ，开始产生蹬地动作．即图中的24.27s 及24.67s 时刻，踝关节液压缸开始快速伸长，推动腿部跃起．对应于图19的末端弹簧位移曲线，表现在同一时刻末端弹簧被进一步压缩．

35d i s p l a c e m e n t /m m

ⴞḷս〫30

•

2524

24.224.4

24.6time /s

24.825

图16机器人单腿调试平台Fig.16The test bench for leg

图18踝关节驱动液压缸位移曲线

Fig.18Curves of displacement of hydraulic cylinder in elbow

joint

本文实验的目的在于通过单腿的纵向弹跳能力测试，验证本体结构设计的合理性，了解腿部液压系统力／位伺服系统的性能，为未来的整机设计和单腿结构改进提供依据，而不过多地考虑弹跳高度的控制效果．由于已知单腿和上平台质量及末端弹簧刚度，机器人单腿调试平台可以简化为质量弹簧系统，通过前期实验和理论计算估计得到固有频率．综上，本文采用基于时间事件的弹跳控制方法，实验中控制过程如图17所示．

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d i s p l a c e m e n t o f s p r i n g /m m

5.2弹跳实验

time /s

图19腿部弹簧位移曲线

Fig.19Curves of displacement of the spring in leg

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Fig.17

图17基于时间事件的弹跳控制方法

The control algorithm based on time event for hopping

leg

56789

蹬地过程中，液压缸主动伸长，为单腿质量－弹簧系统注入能量，补偿其在运动过程中的能量损耗，从而维持单腿的持续跳动．在算法中腿部的实际整体长度跟随一条特定曲线而变化，而由于液压系统存在滞后，并有一个关节处于力伺服状态，因

图20单腿弹跳周期视屏截图

Fig.20Snapshots when the leg prototype hopping in a cycle

图20为单腿的一个跳跃周期内的视频截图．现有的弹跳运动中存在以下几个方面的问题．首先，系统压力较低，仅为设计压力的60%；其次，

28机器人

[7]

2014年1月

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由于实验目的是验证系统设计的合理性，没有对弹跳算法作进一步优化；再次，测试平台的基座没有固连到地面，平台结构刚度较低并在直线轴承处存在较大摩擦，导致弹跳过程单腿系统能量过大损耗；最后，液压伺服控制算法的相关参数和控制策略也未调节至理想状态．由于以上几个问题，导致了单腿弹跳高度较低．

[8]

[9]

6结论（Conclusion ）

[10]

本文从仿生研究入手，利用仿真研究手段，提出了四足仿生机器人的总体构型，并提炼出单腿子系统的相关技术指标．进而设计了四足机器人单腿的机械本体结构和控制系统．弹跳实验验证了单腿系统的结构本体和控制系统软硬件平台设计的合理性．另一方面，液压缸的力／位伺服和多关节协调等控制策略在弹跳实验中的应用也验证了单腿控制算法在四足机器人动步态行走控制过程中应用的可行性．

在下一步的工作中，将针对设计和实验中存在的问题，对单腿的机械结构和控制系统进行改进．随后将开展四足机器人整机的结构和控制研究，最终实现机器人的动步态行走．

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作者简介：

李满天（1974–），男，博士，副教授．研究领域：特种机

器人，仿生机器人．

蒋振宇（1986–），男，博士生．研究领域：仿生机器人．