直驱式四足机器人的结构优化设计与研究

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2021.18.014

中国机械工程 ›› 2021, Vol. 32 ›› Issue (18): 2246-2253.DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.18.014

直驱式四足机器人的结构优化设计与研究

刘明源1,2;陈平1;马建设2

1.北京科技大学机械工程学院，北京，100083
2.清华大学深圳国际研究生院，深圳，518055

出版日期:2021-09-25 发布日期:2021-10-14
通讯作者: 陈平（通信作者），女，1973年生，教授、博士研究生导师。研究方向为机械设计及理论、摩擦磨损与系统工程。发表论文30余篇，出版专著一部。E-mail:chenp@ustb.edu.cn。
作者简介:刘明源，男，1997年生，硕士研究生。研究方向为工业机器人、紫外通信、光存储。
基金资助:
国家重点研发计划（2018YFC0810500）

Structural Optimization Design and Research of Direct-drive Quadruped Robots

LIU Mingyuan1,2;CHEN Ping1;MA Jianshe2

1.School of Mechanical Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing,100083
2.Shenzhen International Graduate School,Tsinghua University,Shenzhen,518055

Online:2021-09-25 Published:2021-10-14

摘要/Abstract

摘要： 设计了一种直驱式四足机器人。基于弹簧倒立摆模型建立了腿部刚度特性模型，分析了腿部杆长比、姿态角与刚度特性的关系，讨论了杆长比对能量利用效率的影响。对五杆同轴腿进行正向运动学和逆向运动学的分析，推导出位置控制算法模型，并利用雅可比矩阵推导出腿部驱动电机输入电流与足端受力的关系。对搭建的直驱式四足机器人进行奔跑实验和跳跃实验，验证了该机器人结构设计的合理性。

关键词: 移动机器人, 空间连杆机构, 姿态角, 位置控制

Abstract: A direct-drive quadruped robot was proposed, and the leg stiffness characteristic model was established based on the spring inverted pendulum model, then the relationship among leg length ratio, attitude angle, and stiffness characteristics was analyzed. The influences of pole length ratio on energy utilization efficiency were discussed. Forward kinematics and inverse kinematics of the five-bar coaxial leg were analyzed, and the position control algorithm model was derived. The relationship between input current of leg drive motor and force on the foot was derived by Jacobian matrix. Running experiments and jumping experiments were carried out on the direct-drive quadruped robot, and the experiments verified the rationality of structural design for the robot.

Key words: mobile robot, spatial linkage mechanism, attitude angle, position control

中图分类号:

TP242

刘明源, 陈平, 马建设. 直驱式四足机器人的结构优化设计与研究[J]. 中国机械工程, 2021, 32(18): 2246-2253.

LIU Mingyuan, CHEN Ping, MA Jianshe. Structural Optimization Design and Research of Direct-drive Quadruped Robots[J]. China Mechanical Engineering, 2021, 32(18): 2246-2253.

参考文献

［1］HUNT M L. Robotic Walking in the Real World［J］. Science, 2013, 339(6126):1389-1390.
［2］MOSHER R. Test and Evaluation of a Versatile Walking Truck［C］∥Proceedings of Off-Road Mobility Research Symposium. Washington D C, 1968:359-379.
［3］RAIBERT M H. Legged Robots that Balance［M］. Boston：MIT Press, 1986.
［4］张鹏翔,廖启征,魏世民,等.液压驱动的四足机器人控制系统研究［J］.液压与气动,2011(1):29-31.
ZHANG Pengxiang, LIAO Qizheng , WEI Shimin, et al. The Research of Control System for Quadruped Robot with Hydraulic Actuate［J］. Chinese Hydraulics & Pneumatics, 2011(1):29-31.
［5］KENNEALLY G, DE A, KODITSCHEK D E. Design Principles for a Family of Direct-drive Legged Robots［J］. IEEE Robotics and Automation Letters, 2016, 1(2):900-907.
［6］BLACKMAN D J, NICHOLSON J V, ORDONEZ C, et al. Gait Development on Minitaur, a Direct Drive Quadrupedal Robot［C］∥Unmanned Systems Technology ⅩⅧ. Baltimore, 2016:98370I.
［7］BLACKMAN D J, NICHOLSON J V, PUSEY J L, et al. Leg Design for Running and Jumping Dynamics［C］∥2017 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics (ROBIO). Macau, 2017:2617-2623.
［8］TOPPING T T, VASILOPOULOS V, DE A, et al. Towards Bipedal Behavior on a Quadrupedal Platform Using Optimal Control［C］∥Unmanned Systems Technology ⅩⅧ. International Society for Optics and Photonics, 2016, 9837:98370H.
［9］TOPPING T T, KENNEALLY G, KODITSCHEK D E. Quasi-static and Dynamic Mismatch for Door Opening and Stair Climbing with a Legged Robot［C］∥2017 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA). Singapore, 2017:1080-1087.
［10］AUSTIN M, BROWN J, GEIDEL K, et al. Gait Design and Optimization for Efficient Running of a Direct-drive Quadrupedal Robot［C］∥Unmanned Systems Technology ⅪⅩ. Anaheim, 2017:1019504.
［11］AUSTIN M P, BROWN J M, YOUNG C A, et al. Leg Design to Enable Dynamic Running and Climbing on Bobcat［C］∥2018 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS). Madrid, 2018:3799-3806.
［12］BROWN J M, PUSEY J L, CLARK J E. Design Methodology of Linkage Morphology for High Speed Locomotion［C］∥2017 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics (ROBIO). Macau, 2017:730-736.
［13］HAARNOJA T, HA S, ZHOU A, et al. Learning to Walk via Deep Reinforcement Learning［J］. ArXiv:abs/1812. 11103, 2019.
［14］SEOK S, WANG A, CHUAH M Y, et al. Design Principles for Highly Efficient Quadrupeds and Implementation on the MIT Cheetah Robot［C］∥2013 IEEE International Conference on Robotics and Automation. Karlsruhe, 2013:3307-3312.
［15］李奇敏, 任灏宇, 蒲文东, 等. 具有弹性连杆机构的四足机器人对角小跑步态控制［J］. 机器人, 2019, 41(2):197-205.
LI Qimin, REN Haoyu, PU Wendong. Trotting Gait Control of the Quadruped Robot with an Elastic Linkage［J］. Robot, 2019, 41(2):197-205.

[1]	沈双, 雷静桃, 张悦文. 仿生跳跃机器人气动串联弹性关节的位置/刚度控制[J]. 中国机械工程, 2021, 32(12): 1486-1493.
[2]	谢冬福1;罗玉峰1,2;石志新1;刘燕德2. 多移动机器人协同模式及其倾翻稳定性研究[J]. 中国机械工程, 2020, 31(20): 2472-2485.
[3]	李阳1,2,3；刘子明1,2,4；陈庆盈1,2,3 . 考虑打滑干扰的解耦式主动脚轮全向移动机器人跟踪控制[J]. 中国机械工程, 2020, 31(18): 2247-2253.
[4]	姚来鹏, 侯保林, 刘曦, 王茜. 基于非线性干扰观测器的自动弹仓终端滑模控制[J]. 中国机械工程, 2020, 31(15): 1787-1792,1797.
[5]	高强;朱玉川. 基于均匀切换的并联数字阀控系统位置控制策略[J]. 中国机械工程, 2020, 31(12): 1461-1468.
[6]	张晋1,2,3;薛雄伟1;寇成浩1;姚静1,3;孔祥东1,3;李昊4. DN63位移随动式超高压比例插装阀的建模[J]. 中国机械工程, 2019, 30(20): 2424-2430,2438.
[7]	王洪斌1;郝策1;张平1;张明泉1;尹鹏衡1;张永顺2. 基于A*算法和人工势场法的移动机器人路径规划[J]. 中国机械工程, 2019, 30(20): 2489-2496.
[8]	贝旭颖1，2;平雪良1，2;高文研1，2. 纵向打滑状态下轮式移动机器人轨迹跟踪控制[J]. 中国机械工程, 2018, 29(16): 1958-1964.
[9]	李逃昌. 农业轮式移动机器人自适应滑模路径跟踪控制[J]. 中国机械工程, 2018, 29(05): 579-584,590.
[10]	曹晓明1;郭宝峰1,2;王佩1;李瑶1;姚静1,2,3. 多级压力源液压切换的位置伺服控制系统[J]. 中国机械工程, 2017, 28(20): 2447-2454.
[11]	徐培培, 王国庆, 翟佳星, 李兆路, 张志新. 移动式服务机器人混合控制器关键技术研究[J]. 中国机械工程, 2017, 28(12): 1468-1473.
[12]	叶锦华, 吴海彬. 不确定轮式移动机器人统一自适应神经网络H∞控制[J]. 中国机械工程, 2017, 28(02): 150-155.
[13]	陆浩, 胡建华, 王云宽, 郑军, 秦晓飞. 基于自适应微分跟踪器的位置伺服系统[J]. 中国机械工程, 2016, 27(21): 2915-2919.
[14]	朱奇光, 王梓巍, 陈颖. 基于全局特征与局部特征的图像分级匹配算法研究及应用[J]. 中国机械工程, 2016, 27(16): 2211-2217.
[15]	刘涛, 宋涛, 姚辉, . 泵缸复合结构新型动态流量计[J]. 中国机械工程, 2016, 27(15): 2060-2063,2068.

直驱式四足机器人的结构优化设计与研究

Structural Optimization Design and Research of Direct-drive Quadruped Robots

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献

相关文章 15

编辑推荐

Metrics