１ ］ 。 究， 构造了各种不同的四足机器人实验平台［
姿态调整和稳定控制。为了提高四足机器人的适用 范围， 提高机器人的地形适应能力， 机器人在通常运 动中， 必须保持较高的步态速度， 利用动步态行走。 以高动态、 高适应性、 高负载能力为目标， 山东 大学机器人研究中心设计了基于液压驱动的四足仿 马） 的运动 生机器人平台。基于典型哺乳动物（ 骡／ 生理结构研究与步态分析， 进行四足机器人的仿生 结构设计和步态规划。通过实际机器人平台的实 验， 进行四足机器人平台的结构优化和仿生步态的 快速平稳控制算法验证。突破液压驱动四足仿生机 器人的若干关键技术， 为机器人实现复杂环境下的 任务提供一定的理论支持和实验积累。
击， 减小能量损失， 骡／ 马从髋关节到跖趾关节， 被动 自由度逐渐增加， 并且在跖趾关节中存在较好的减 震机构， 能够高效率的进行动能势能之间的转换。 马的骨骼结构， 基于仿生学原理， 所设计的 仿照骡 ／ 液压驱动四足仿生机器人， 每条腿有 ４个主动旋转 １个横滚自由度， ３个俯仰自由度， 均由液压 关节（ 伺服油缸驱动） 和 １个被动伸缩关节。４个主动关 节使机器人腿 － 足运动空间更大， 越障和适应复杂 地形环境的能力更强； 当受到横向冲击时， 可通过剪 ｒ ｏ ｔ 步态） 快速使机器人恢复稳定； 被动 刀步（ 横向 ｔ 伸缩关节在机器人足落地时具有良好的缓冲作用， 减小地面对支撑腿的冲击力及其对机器人质心的倾 翻力矩， 显著改善机器人的姿态稳定性能； 每条腿具 个主动自由度， 使机器人的运动和各关节的力 ／ 有４
（ １ ．Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅａ ｎ ｄＥ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ，Ｓ ｈ ａ ｎ ｄ ｏ ｎ ｇＵ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ，Ｊ ｉ ｎ ａ ｎ２ ５ ０ ０ ６ １ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ； ２ ．Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ，Ｓ ｈ ａ ｎ ｄ ｏ ｎ ｇＰ ｏ ｌ ｙ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｉ ｃＵ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ，Ｊ ｉ ｎ ａ ｎ２ ５ ０ ３ ５ ３ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ） Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ａｈ ｙ ｄ ｒ ａ ｕ ｌ ｉ ｃ ａ ｌ ｌ ｙａ ｃ ｔ ｕ ａ ｔ ｅ ｄｑ ｕ ａ ｄ ｒ ｕ ｐ ｅ ｄｂ ｉ ｏ ｎ ｉ ｃ ｒ ｏ ｂ ｏ ｔ ｈ ａ ｓ ｂ ｅ ｅ ｎｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｅ ｄｂ ｙＣ ｅ ｎ ｔ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ Ｒ ｏ ｂ ｏ ｔ ｉ ｃ ｓ ａ ｔ Ｓ ｈ ａ ｎ ｄ ｏ ｎ ｇＵ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙｉ ｓ ｄ ｅ ｓ ｃ ｒ ｉ ｂ ｅ ｄｉ ｎｔ ｈ ｉ ｓ ｐ ａ ｐ ｅ ｒ ． Ｔ ｈ ｅ ｏ ｂ ｊ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｉ ｓ ｔ ｏｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎａ ｈ ｉ ｇ ｈ ｌ ｙｄ ｙ ｎ ａ ｍ ｉ ｃ ａ ｎ ｄｈ ｉ ｇ ｈｌ ｏ ａ ｄｑ ｕ ａ ｄ ｒ ｕ ｐ ｅ ｄｒ ｏ ｂ ｏ ｔ ｔ ｈ ａ ｔ ｅ ｎ ａ ｂ ｌ ｅ ｓ ｔ ｈ ｅ ａ ｄ ａ ｐ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｔ ｏｃ ｏ ｍ ｐ ｌ ｅ ｘｔ ｅ ｒ ｒ ａ ｉ ｎ ． Ｂ ａ ｓ ｅ ｄｏ ｎｍ ｕ ｌ ｅ ／ ｈ ｏ ｒ ｓ ｅ ｃ ｒ ｅ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｂ ｉ ｏ ｎ ｉ ｃ ｓ ， ｔ ｈ ｅ ｌ ｅ ｇｃ ｏ ｎ ｆ ｉ ｇ ｕ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｗ ｉ ｔ ｈｐ ａ ｓ ｓ ｉ ｖ ｅ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ａ ｎ ｄ ｈ ｙ ｄ ｒ ａ ｕ ｌ ｉ ｃａ ｃ ｔ ｕ ａ ｔ ｉ ｏ ｎａ ｒ ｅｍ ｅ ｔ ｔ ｈ ｅｎ ｅ ｅ ｄ ｓ ｏ ｆ ｓ ｔ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ａ ｎ ｄｈ ｉ ｇ ｈｌ ｏ ａ ｄｃ ａ ｐ ａ ｃ ｉ ｔ ｙ ．Ａ ｎ ｄｔ ｈ ｅｓ ｔ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙｄ ｙ ｎ ａ ｍ ｉ ｃｔ ｒ ｏ ｔ ｔ ｉ ｎ ｇｇ ａ ｉ ｔ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｑ ｕ ａ ｄ ｒ ｕ ｐ ｅ ｄｒ ｏ ｂ ｏ ｔ ｉ ｓ ｐ ｌ ａ ｎ ｎ ｅ ｄｂ ａ ｓ ｅ ｄｏ ｎｔ ｈ ｅ ｆ ｏ ｒ ｗ ａ ｒ ｄｋ ｉ ｎ ｅ ｍ ａ ｔ ｉ ｃ ｓ ａ ｎ ｄｉ ｎ ｖ ｅ ｒ ｓ ｅ ｋ ｉ ｎ ｅ ｍ ａ ｔ ｉ ｃ ｓ ． Ｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｉ ｍ ｅ ｎ ｔ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｅ ｄ ｑ ｕ ａ ｄ ｒ ｕ ｐ ｅ ｄｂ ｉ ｏ ｎ ｉ ｃｒ ｏ ｂ ｏ ｔ ｐ ｌ ａ ｔ ｆ ｏ ｒ ｍｓ ｈ ｏ ｗｔ ｈ ｅｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ｉ ｔ ｙｏ ｆ ｍ ｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎａ ｎ ｄｔ ｈ ｅｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｎ ｅ ｓ ｓ ｏ ｆ ｇ ａ ｉ ｔ ｐ ｌ ａ ｎ ｎ ｉ ｎ ｇ ． Ｋ ｅ ｙｗ ｏ ｒ ｄ ｓ ：ｑ ｕ ａ ｄ ｒ ｕ ｐ ｅ ｄｂ ｉ ｏ ｎ ｉ ｃ ｓ ；ｒ ｏ ｂ ｏ ｔ ；ｈ ｙ ｄ ｒ ａ ｕ ｌ ｉ ｃａ ｃ ｔ ｕ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ；ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ；ｇ ａ ｉ ｔ ｐ ｌ ａ ｎ ｎ ｉ ｎ ｇ
收稿日期： ２ ０ １ １ ０ ８ ２ ０ 基金项目： 国家自然科学基金资助项目（ ６ １ ０ ７ ５ ０ ９ １ ） ； 山东大学自主创新基金资助项目（ ２ ０ ０ ９ Ｊ Ｃ ０ １ ０ ， ２ ０ １ １ Ｊ Ｃ ） ； 国家高技术研究发展计划（ ８ ６ ３计 划） 主题项目“ 高性能四足仿生机器人” 资助项目
。为了提
高四足机器人的动态特性和负载能力， 要求机器人 的关节具有较大驱动力矩和快速响应能力。因此， 必须采用具有较好的动态特性， 较大的输出力矩和 功率密度比， 较高的带宽和一定程度柔顺特性的液 压驱动方式。现阶段， 比较具有代表性的基于液压 驱动方式的四足仿生机器人有美国波士顿动力公司
３ ］ 的Ｂ ｉ ｇ Ｄ ｏ ｇ 四足机器人 ［ ， 韩国器人研究领域取得 了较大的进展， 但足式机器人的能力仍然大大落后 于所仿生的生物对象， 大部分仅处于实验室仿真阶 段， 实用性较差。为了提高机器人的实用性， 使之较 好的完成野外复杂环境下的探测、 运输等任务。首 先， 机器人必须能够在无外接电缆前提下， 具有充分 的自治时间。其次， 机器人必须具有较好的动态特 性， 较快的移动速度和较高的负载能力
７ ］ 。因此， 动速度越快， 身体躯干中心越低， 步长越大［
图１ 骡 ／ 马的腿结构示意图 Ｆ ｉ ｇ ． １Ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ ｄ ｉ ａ ｇ ｒ ａ ｍｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｍ ｕ ｌ ｔ ｉ ｊ ｏ ｉ ｎ ｔ ｅ ｄｌ ｅ ｇｏ ｆ ｍ ｕ ｌ ｅ ／ ｈ ｏ ｒ ｓ ｅ
［ ２ ］
１ 结构设计
与其它四足哺乳动物相比， 骡／ 马的运动生理结 构（ 骨骼、 肌腱、 肌肉等） 和运动模式独特， 对复杂地 形环境的适应能力较强， 行走速度快， 负重量较大， 几千年来一直是货物驮运运输的主要工具。如图 １ 所示， 骡／ 马的后腿主要包括髋关节、 膝关节、 踝关节
８ ］ 和跖趾关节 ［ 。为了减小行走过程中与地面的冲
文章编号： １ ６ ７ ２ ３ ９ ６ １ （ ２ ０ １ １ ） ０ ５ ０ ０ ３ ２ ０ ５
２ ０ １ １年 １ ０月 Ｏ ｃ ｔ ． ２ ０ １ １
李贻斌，工学博士，教授， 博士生导师， 山东大学机器人研究中心主任，
控制科学与工程学院副院长， 国家自然科学基金委员会第十二、 十三届专家 评审组成员， 国务院特殊津贴获得者， 国家“ ８ ６ ３ ” 计划先进工作者， 山东省自 动化学会副理事长， 山东省机器人专业委员会主任， 山东省机器人发展专家 其中国家 ８ ６ ３计划课题 ５ 委员会专家。主持承担和完成国家级项目 ７项， 项， 国家基金课题 ２项， 获国家科技进步二等奖 １项， 省科技进步一等奖 １ 项， 省教学成果一等奖 １项， 山东省十大科技成果奖 １项， 国家煤炭工业十 特种机器人、 智能车辆和机电一体化等方面的教 大科技成果 １项。现主要从事智能机器人、 学和科研工作。
第 ４ １卷 第 ５期 山 东 大 学 学 报 （ 工 学 版） Ｖ ｏ ｌ ． ４ １ Ｎ ｏ ． ５ Ｊ Ｏ Ｕ Ｒ Ｎ Ａ ＬＯ ＦＳ Ｈ Ａ Ｎ Ｄ Ｏ Ｎ ＧＵ Ｎ Ｉ Ｖ Ｅ Ｒ Ｓ Ｉ Ｔ Ｙ（ Ｅ Ｎ Ｇ Ｉ Ｎ Ｅ Ｅ Ｒ Ｉ Ｎ ＧＳ Ｃ Ｉ Ｅ Ｎ Ｃ Ｅ ）
液压驱动四足仿生机器人的结构设计和步态规划
， ２ 李贻斌１， 李彬１ ， 荣学文１， 孟健１
（ １ ． 山东大学控制科学与工程学院，山东 济南 ２ ５ ０ ０ ６ １ ； ２ ． 山东轻工业学院理学院，山东 济南 ２ ５ ０ ３ ５ ３ ）
摘要： 介绍了山东大学机器人研究中心研发的液压驱动四足仿生机器人。目的是设计能够适应复杂地形环境， 具 马的生物仿生， 构造了具有被动结构、 基于液压驱动的四 有高动态、 高负载能力的液压驱动四足机器人。基于骡 ／ 足机器人腿关节结构， 满足了机器人稳定控制和高负载能力的需要。基于四足机器人的运动学和逆运动学模型， 规划了机器人稳定的对角小跑动步态。实际液压驱动四足机器人平台的实验验证表明了机器人结构设计的合理 性和步态规划的有效性。 关键词： 四足仿生； 机器人； 液压驱动； 设计； 步态规划 中图分类号： Ｔ Ｐ ２ ４ ２ 文献标志码： Ａ
Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎａ ｎ ｄｇ ａ ｉ ｔ ｐ ｌ ａ ｎ ｎ ｉ ｎ ｇｏ ｆ ａｈ ｙ ｄ ｒ ａ ｕ ｌ ｉ ｃ ａ ｌ ｌ ｙ ａ ｃ ｔ ｕ ａ ｔ ｅ ｄｑ ｕ ａ ｄ ｒ ｕ ｐ ｅ ｄｂ ｉ ｏ ｎ ｉ ｃｒ ｏ ｂ ｏ ｔ
１ １ ， ２ １ １ Ｌ Ｉ Ｙ ｉ ｂ ｉ ｎ ，Ｌ Ｉ Ｂ ｉ ｎ ，Ｒ Ｏ Ｎ ＧＸ ｕ ｅ ｗ ｅ ｎ ，ＭＥ Ｎ ＧＪ ｉ ａ ｎ
Ｒ ｏ ｔ ｅ ｍ 公司研制的液压驱动四足机器人
［ ４ ］
以及意大
［ ５ ］