D0I:10.13374.issn1001-053x.2012.01.010 第34卷第1期 北京科技大学学报 Vol.34 No.1 2012年1月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jan.2012 四足变结构机器人的运动学分析 陈 浩区 丁希仑 北京航空航天大学机器人研究所，北京100191 区通信作者，E-mail:howard.chenhao@qg.com 摘要对一种新型的四足变结构机器人进行了运动学分析.首先建模分析了单条腿的运动速度：然后综合考虑机器人车身 本体的运动和变形以及四条腿的运动状态，对机器人整体进行了运动学分析，提出并建立了机器人的全局速度方程：最后将 全局速度方程应用到机器人的速度分解控制中，使该控制方法的应用领域从串联机器人扩展到多足移动（串并混联）机器人， 并以变结构四足机器人的车身原地收缩运动为例，验证了这种方法的可行性 关键词四足机器人；变结构：运动学；速度控制 分类号TP242 Kinematics analysis of a quadruped robot with variable structure CHEN Hao☒，DING XE+un Institute of Robotics,Beihang University,Beijing 100191,China Corresponding author,E-mail:howard.chenhao@qcom ABSTRACT A novel quadruped robot with variable structure was analyzed by kinematic methods.First,the velocity of a single leg was studied.Then the kinematics of the whole robot was discussed,and a globe velocity equation was proposed and established with considering the transformation and motion of the robot's body and four legs.At last,the method of velocity decomposition control, which is usually used in the serial-chain manipulator control,was generalized to the legged mobile robot (serial and parallel hybrid mechanism)control through applying the globe velocity equation.The contraction of the robot's body with four feet fixed on the ground was taken as an example to demonstrate the feasibility of this approach. KEY WORDS quadruped robots:variable structure:kinematics:velocity control 四足步行机器人具有机构简单且灵活、承载能 年开始研制的四足变结构机器人是一种新型的 力强以及稳定性好等特点，在抢险救灾、探险、娱乐 轮腿结合式机器人.该机器人具有可变宽窄的车身 和军事等许多方面都有很好的应用前景，因此其设 结构，运动更加灵活，能更好地适应复杂的环境.本 计研制一直是国内外的腿式机器人研究的重点.20 文对该机器人进行了运动分析，综合考虑了腿部的 世纪60年代，四足步行机器人的研究工作开始起 运动以及车身的运动和变形，建立了该机器人的全 步.世界上第一台真正意义的四足步行机器人是由 局速度方程，并利用该方程把在串联机械臂控制中 Frank和MeGhee于1977年制作的；20世纪八九 常用的速度分解控制方法推广应用到腿式移动 十年代最具代表性的四足步行机器人是日本Shigeo 机器人的控制中. Hirose实验室研制的TITAN系列和TEKKEN系 1机器人的结构分析 列)；目前世界上最先进的四足步行机器人是美 国Boston Dynamics公司研制的BigDog,该机器人 图1和图2分别为四足变结构机器人的三维立 机动性和反应能力都很强，平衡能力极佳 体图和机构简图.该机器人的车身分为左右两部 北京航空航天大学空间机器人实验室于2007 分，左右车身之间通一对十字交叉的连杆连接，两连 收稿日期：201105-25 基金项目：国家基金重大国际合作项目(50720135503)：教育部博士点基金资助项目(200800060009)第 34 卷 第 1 期 2012 年 1 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 34 No． 1 Jan． 2012 四足变结构机器人的运动学分析 陈 浩 丁希仑 北京航空航天大学机器人研究所，北京 100191 通信作者，E-mail: howard． chenhao@ qq． com 摘 要 对一种新型的四足变结构机器人进行了运动学分析． 首先建模分析了单条腿的运动速度; 然后综合考虑机器人车身 本体的运动和变形以及四条腿的运动状态，对机器人整体进行了运动学分析，提出并建立了机器人的全局速度方程; 最后将 全局速度方程应用到机器人的速度分解控制中，使该控制方法的应用领域从串联机器人扩展到多足移动( 串并混联) 机器人， 并以变结构四足机器人的车身原地收缩运动为例，验证了这种方法的可行性． 关键词 四足机器人; 变结构; 运动学; 速度控制 分类号 TP242 Kinematics analysis of a quadruped robot with variable structure CHEN Hao ，DING Xi-lun Institute of Robotics，Beihang University，Beijing 100191，China Corresponding author，E-mail: howard． chenhao@ qq． com ABSTRACT A novel quadruped robot with variable structure was analyzed by kinematic methods． First，the velocity of a single leg was studied． Then the kinematics of the whole robot was discussed，and a globe velocity equation was proposed and established with considering the transformation and motion of the robot’s body and four legs． At last，the method of velocity decomposition control， which is usually used in the serial-chain manipulator control，was generalized to the legged mobile robot ( serial and parallel hybrid mechanism) control through applying the globe velocity equation． The contraction of the robot’s body with four feet fixed on the ground was taken as an example to demonstrate the feasibility of this approach． KEY WORDS quadruped robots; variable structure; kinematics; velocity control 收稿日期: 2011--05--25 基金项目: 国家基金重大国际合作项目( 50720135503) ; 教育部博士点基金资助项目( 200800060009) 四足步行机器人具有机构简单且灵活、承载能 力强以及稳定性好等特点，在抢险救灾、探险、娱乐 和军事等许多方面都有很好的应用前景，因此其设 计研制一直是国内外的腿式机器人研究的重点． 20 世纪 60 年代，四足步行机器人的研究工作开始起 步． 世界上第一台真正意义的四足步行机器人是由 Frank 和 McGhee 于 1977 年制作的［1］; 20 世纪八九 十年代最具代表性的四足步行机器人是日本 Shigeo Hirose 实 验 室 研 制 的 TITAN 系 列 和 TEKKEN 系 列［2--3］; 目前世界上最先进的四足步行机器人是美 国 Boston Dynamics 公司研制的 BigDog ［4］，该机器人 机动性和反应能力都很强，平衡能力极佳． 北京航空航天大学空间机器人实验室于 2007 年开始研制的四足变结构机器人［5］是一种新型的 轮腿结合式机器人． 该机器人具有可变宽窄的车身 结构，运动更加灵活，能更好地适应复杂的环境． 本 文对该机器人进行了运动分析，综合考虑了腿部的 运动以及车身的运动和变形，建立了该机器人的全 局速度方程，并利用该方程把在串联机械臂控制中 常用的速度分解控制方法［6］推广应用到腿式移动 机器人的控制中． 1 机器人的结构分析 图 1 和图 2 分别为四足变结构机器人的三维立 体图和机构简图． 该机器人的车身分为左右两部 分，左右车身之间通一对十字交叉的连杆连接，两连 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2012.01.010