外文翻译---四足机器人的步态适应

附录

Gait Adaptation in a Quadruped Robot

1. Introduction

A short time after birth a foal can walk and then run. It is remarkable that the

animal learns tocoordinate the many muscles of the legs and trunk in such a short

period of time. It is not likely that any learning algorithm could program a nervous

system ab initio with so few training epochs. Nor is it likely that the foal’s locomotor

controller is completely determined before birth. How can this a- bili ty be explained?

How can this ability be incorporated into the control system of a walking machine?

Researchers in biology have presented clear evidence of a functional unit of the

central nervous system, the Central Pattern Generator (CPG), which can cause

rhythmic movement of the trunk and limb muscles(Grillner and Wall´en, 1985). In

adult animals, the output of these cells can generate muscle activity that is very

similar to activity during normal walking, even when sensory feedback has been

eliminated (Grillner and Zangger, 1975). The CPG begins its ac- tivity before birth,

although its activity does not appear to imitate the details of a particular walking

animal, it is apparently correlated with the animal’s class, i.e., amphibian, reptile,

mammal, etc. (Bekoff, 1985; Cohen, 1988).Apparently, the basic structure of the CPG

network is laid down by evolution. How is this basic structure adapted to produce the

detailed coordination needed to control a walk- ing animal?

The answer to this question is important to robotics for the following reason.

CPGs have been well studied as a basic coordinating mechanism (Cohen et al., 1982;

Bay and Hemami, 1987; Matsuoka, 1987; Rand et al., 1988; Taga et al., 1991; Collins

and Stewart, 1993; Murray, 1993; Zielinska, 1996; Jalics et al., 1997; Ito et al., 1998;

Kimura et al., 1999). However, the details of how this system can automatically adapt

to control a real robot are not clear. A good goal would be to describe a general

strategy for matching a generic CPG to a particular robot in real-time, with a minimal

amount of interaction with the environment. Reinforcement learning has been applied on long time scales to certain problems

in walking (learning coordination and basic leg movement) (Ilg and Berns, 1995), but

the time scales of such an approach is too long to explain the quick learning of

animals just after birth.

The author suggests that part of the answer may be in the use of a number of

simple innate internal models to evaluate the performance of the rapidly developing

nervous system. These innate internal models could be used to adaptively tune CPGs

during phases of rapid development. Figure 3 illustrates the training concept. A CPG

generates a signal destined for a group of actuators (muscle) as well as a second signal,

which is a copy of the signal sent to the actuators destined for an innate forward

model. In biology, a copy of the motor signal is called an efference copy (Sperry,

1950). A forward model as described by Kawato (Kawato and Wolpert, 1998) is a

functional model of the forward dynamics of the system.We use very simplified,

innate forward models. These forward models predict the sensory expectation, or the

desired consequence of CPG activity. This information is compared, and an adaptive

rule then modifies the CPG.

The author suggests that a handful of adaptive mechanisms may be used for

rapid tuning of a generic CPG. For example, the adaptive model can be used to ensure

coordination of limbs with the environment.

The use of simplified, innate models is the most conservative stance possible.

The intent is to make the fewest assumptions possible about the ‘knowledge’ that the

nervous system has about the body that it is trying to control. By demonstrating how

this process may be used in a physical device—a robot— we give compelling

evidence that this approach is sufficient.

This article reports on an investigation into how a group of forward models could

be used to adaptively tune a CPG in a real robot. As these models are innate, we

assume they are simple; it would not be satisfying if these models were as complex as

the behaviors that they help generate. Secondly, these models should not be detailed,

accurate models of the forward dynamics of the robot. If innate models are used, their

simplicity prohibits them from detailing accurate information about the structure of the pattern generator. The study here supposes that once the CPGs have been tuned to

produce basic locomotion, other, more general learning mechanisms would take over

to create a more refined gait. These learning mechanisms might include reinforcement

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基于ADAMS的液压驱动四足机器人步态规划与仿真

１００　机械设计与制造　

Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ　Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ　第７期　２０１２年７月　

文章编号：１００１—３９９７（２０１２）０７—０１００—０３　

基于ＡＤＡＭＳ的液压驱动四足机器人　

步态规划与仿真木　

庄明　俞志伟　龚达平　许明理　戴振东　（’南京航空航天大学仿生结构与材料防护研究所，南京２１００１６）　

（　南京航空航天大学机电工程学院，南京２１００１６）（。南京机电液压工程研究中心，南京２１０００２）　

Ｇａｉｔ　Ｐｌａｎｎｉｎｇ　ａｎｄ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｑｕａｄｒｕｐｅｄ　Ｒｏｂｏｔ　Ｗｉｔｈ　Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　Ｄｒｉｖｅ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＡＤＡＭＳ　

ＺＨＵＡＮＧ　Ｍｉｎｇ‘　，ＹＵ　Ｚｈｉ—ｗｅｉ　，ＧＯＮＧ　Ｄａ—ｐｉｎｇ　，ＸＵ　Ｍｉｎｇ—ｌｉ　，ＤＡＩ　Ｚｈｅｎ—ｄｏｎｇ　

（’Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｂｉｏ—ｉｎｓｐｉｒｅｄ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ　ａｎｄ　Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１００１６，Ｃｈｉｎａ）　

（　Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ　

ａｎｄ　Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ．Ｎａｒ￣ｉｉｎｇ　２　１　００　１　６，Ｃｈｉｎａ）　（　Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ａｉｒｃｒａｆｔ　Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｎａｎｉｉｎｇ　２１０００２，Ｃｈｉｎａ）　

【摘要】为实现机器人的高负载、不平地面的高适应性运动要求，设计了一种液压驱动的四足机　

器人。分析了四足机器人的机械结构，机器人腿结构具有运动关节少、运动空间范围大特点，利用　

ＡＤＡＭＳ规划设计了四足运动步态，并在ＡＤＡＭＳ中进行动力学仿真。仿真分析了对角步态下机器人质　

四足仿生机器人运动控制系统的设计与实现

西北工业大学

硕士学位论文

（学位研究生）

题目：四足笾生狃墨厶运动控趔

丕统鲍遮让皇塞现

作者：陈德明

学科专业：扭越电王工程

指导教师：王涸耋教援

２００７年３月摘要

四足机器人运动灵活、对复杂地形的自适应运动能力强，具有广阔的应用前

景。由于四足机器人的机构和控制相对复杂，相关技术还不成熟，目前四足机器

人大多处于实验室研制阶段，所研制的四足机器人普遍存在运行速度慢、地形自

适应运动能力差、负载轻等问题。论文针对目前四足机器人普遍存在的问题，着

重开展四足仿生机器人运动控制研究，主要内容如下：１．在对国内外四足机器人研究现状调研、分析的基础上，提出了四足仿生

机器人的总体设计方案；通过对四足哺乳类动物——狗的生理结构进行分析，设

计了仿生物四足机器人试验样机；根据四足仿生机器人运动控制的功能要求，确

定了递阶分布式控制系统结构；针对控制系统信息传输的特点和要求，设计了基

于ＣＡＮ总线和串口的数据通信方案。

２．开展仿生ＣＰＧ算法的研究，采用该算法实现了四足仿生机器人多关节的

协调运动。设计了关节运动规划控制器，处理器采用数字信号处理芯片（ＤＳＰ），

完成算法的高速求解。

３．针对机器人单关节的运动控制，设计了集直流电机运动控制和驱动于一

体的关节伺服控制器。硬件上采用单片机ＡＴ９９Ｓ５２、电机运动控制专用芯片

ＬＭ６２９、智能集成功放电路ＬＭＤｌ８２４５和增量式光电编码器来构成全数字伺服

控制系统。４．编写了实时性较强的运动控制系统软件，主要包括ＣＰＧ算法求解模块、

ＣＡＮ总线通信模块、数据采集模块、伺服控制模块等。采用定时器中断和外部

中断相结合的方法来提高实时性。

经过试验，论文设计的运动控制系统性能可靠，实现了对四足仿生机器人机

械系统的实时控制，产生了仿生运动步态，基本达到项目设计要求。该平台具有

一定的扩展能力，可以作为递阶分布式控制系统的底层控制器，为四足仿生机器

人后续研究奠定了良好的基础。

关键词：四足机器人，运动控制系统，ＣＡＮ总线，中枢模式发生器ＡＢＳＴＲＡＣＴ

四足仿生机器人论文关节运动控制器论文

摘要：从相关实验结果来看，所设计的四足机器人的关节运动控制器具有良好的性能。还能够在其它小型、中型功率的直流电机中运

用这个控制器，特别适宜于设计和构造以CAN总线为基础的分布式控制系统，实用性特征非常鲜明。同时，具有一定的扩展能力，可作为

递阶分布式控制系统的底层控制器，为四足仿生机器人的后续研究奠

定了良好的基础。 Design and Research of Joint Motion Controller for Four -

legged Bionic Robot MA Peng-bo

[Key words]Bionic robot； Motion control system；Controller；

STM32；前言

隨着机器人技术的迅猛发展，在很大程度上刺激了人们对机器人产品的强烈需求。在这种情况下，设计制造实用性强，劳动效率高，

具有较强的环境适应能力的机器人成为主要设计方向。当前，人们所

设计的仿生足类机器人能够灵活运动，能够快速地适应各种复杂的作业环境，发展前景非常广阔。仿生四足机器人是一种典型的足式机器

人，具有轮式或履带式机器人不可比拟的优势：该类机器人具有对复杂地面的良好适应能力；能够实现机身运动轨迹与足端运动轨迹的有

效解耦从而保证机身运动稳定；在合理的步态规划下能够保证功率的

最小损耗[1-3]。此外，为保证机器人具有足够的自动化程度，要求机载控制系统能够实时地处理各种复杂环境反馈信息，并能准确地发

出控制指令，为了保证机器人达到良好的运动特性，本文分别提出结构类似的分层式的控制体系结构，对控制任务进行分担，提高系统实

时性。此外，双足机器人步入四足机器人的承载能力强，后者的稳定性更好。而且四足机器人比六足机器人相比，前者的机构更加简单、

能够有效地适应作业环境，具有良好的灵活性[4]。所以，本文以四

足类机器人作为自己的研究对象，设计和规划四足机器人的运动控制器。

四足机器人步态分类

四足机器人的步态分类通常有以下几种：

1. 走行步态（Trotting）：四足机器人的前后腿交替移动，类似于马匹的跑步方式。这种步态具有较高的稳定性和速度。

2. 跳跃步态（Bounding）：四足机器人通过同时腾空两只相对的腿来前进。这种步态可以使机器人快速移动，并且具有较好的适应不平地形的能力。

3. 跑步步态（Galloping）：四足机器人的前后腿交替移动，但在某些阶段会同时腾空两只相对的腿。这种步态适用于高速奔跑，但在稳定性上稍逊于走行步态。

4. 攀爬步态（Climbing）：四足机器人使用四只腿同时爬行，适用于攀爬垂直或倾斜的表面。这种步态通常需要机器人具备较强的抓握能力。

以上仅是四足机器人步态分类的一些常见示例，实际上还存在其他更多的步态。不同的步态适用于不同的应用场景，选择合适的步态可以使机器人在特定环境中更加高效和稳定地移动。

四足机器人Trot步态的偏航运动控制

四足机器人Ｔｒｏｔ步态的偏航运动控制　

郭伟，游洋威，蒋振字，王鹏飞　

（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１５０００１）　

Ｙａｗ　Ｍｏｔｉｏｎ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ａ　Ｑｕａｄｒｕｐｅｄ　Ｔｒｏｔ　

ＧＵＯ　Ｗｅｉ，ＹＯＵ　Ｙａｎｇ—ｗｅｉ，ＪＩＡＮＧ　Ｚｈｅｎ—ｙｕ，ＷＡＮＧ　Ｐｅｎｇ—ｆｅｉ　（Ｓｔａｔｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｒｏｂｏｔｉｃｓ　ａｎｄ　Ｓｙｓｔｅｍ，Ｈａｒｂｉｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ　１５０００１，Ｃｈｉｎａ）　

摘要：为解决四足机器人Ｔｒｏｔ步态的偏航运动　

控制问题，借鉴两轮差速驱动的原理将机身的运动　

分解为两着地腿的运动，再基于弹簧倒立摆模型对　单个着地腿的前进速度和侧移速度进行控制，最后　

通过控制两着地腿的运动来控制机器人整体的运　动，从而实现对机器人偏航角的控制。基于这种思　想，可以对偏航角、前进速度和侧移速度的控制进行　

统一设计，简化了基于三维模型的四足机器人运动　控制的难度。在虚拟样机中进行仿真实验，发现控　制方法在前进速度为零和非零时都能对偏航角进行　很好的控制。　关键词：四足机器人；三维模型；Ｔｒｏｔ步态；偏　

航运动控制　

中图分类号：ＴＰ２７３．２２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００１—２２５７（２０１３）１１—００６３—０４　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｓｐｉｒｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｙ　ｏｆ　ｔＷＯ—ｗｈｅｅｌ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ　ｄｒｉｖｉｎｇ，ｗｅ　ｃａｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｈｅ　ｙａｗ　ｍｏｔｉｏｎ　

ｏｆ　ａ　ｑｕａｄｒｕｐｅｄ　ｔｒｏｔ　ｂｙ　ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｍｏｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｏｂｏｔ’Ｓ　ｂｏｄｙ　ｉｎｔｏ　ｔｈｅ　ｍｏｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｗｏ　ｌｅｇｓ　

ｗｈｉｃｈ　ａｒｅ　ｔｏｕｃｈｉｎｇ　ｔｈｅ　ｇｒｏｕｎｄ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ＳＬＩＰ　ｍｏｄｅｌ，ｔｈｅ　ｆｏｒｗａｒｄ　ａｎｄ　ｌａｔｅｒａｌ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｏｆ　ｏｎｅ　

外文翻译---四足机器人的步态适应