开题报告-四足机器人机械结构设计-毕业设计资料
一、 开题报告内容（课题的目的意义、与本课题有关的国内外研究（应用）情况
及发展趋势、课题主要研究内容、参考文献等）
1 .课题研究背景及意义
随着科技的不断发展与进步，机器人的问世将人类从许多高危工作环境中解放出来，再
加之近年来自然灾害与战争频发，更多工作和任务更适合由机器人来完成，其中最常见泛用
的便是四足仿生爬行机器人。四足机器人具有良好的环境适应性与灵活的运动性，使其能够
在救灾、排雷、探险、娱乐、军事等各种环境下代替人工作业，减少人力成本与人员损耗[1]。基
于以上原因，机器人成为了国内外新兴起的热门行业。又因工作环境的不同四足机器人的分
类与结构设计往往都大相径庭，分为轮式、履带式与足式。轮式与履带式都往往具有更高的移
动速度与机动性，更加适合完成需要在广阔平地上的工作，这种更加高效与便利的四足机器
人更受各个行业的青睐，使用更为广泛，但与之相对的，轮式与履带式无法在地形更加多样
的环境中完成工作。四足足式爬行机器人拥有更高的灵活度与行进方式，使得其可以轻易越
过大部分沟，坎，陡坡等崎岖地形与障碍[2]。以上便是四足足式爬行机器人成为了这种环境
中的最佳首选与其未被轮式和履带式四足机器人完全取代的原因。
综上所述，四足机器人在地球探索中、军事侦察以及救灾救险中有着不可替代的地位，
继续对四足仿生机器人的研究不仅能推进对机器人行业的发展，对人类生活质量的提升也有
明显的帮助。总而言之，本课题的研究对社会发展、科技发展、地球探索具有重要意义。
2 .国内外研究现状
2.1 国内研究现状
国内从 20 世纪 80 年代末 90 年代初就开始了机器人方面的研究，尽管起步较晚，但各个
机构对四足机器人的研究成果收获颇丰，如清华大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学、山东
大学等。
清华大学推出的四足机器人 Biosbot[3]能够进行有规律的节律运动，可以在慢走与对角小
跑两种步态之间进行转换，但因其腿部的协调控制较为复杂以及承载能力较小，无法投入到
实际工作中。山东大学研究的液压驱动四足机器人具有了相对强大的承载能力，但有速度缓
慢这一缺陷[4]。
上海交通大学于 1996年成功研制出JTUWM—III[5]四足机器人，该机器人具有结构简
单，外形灵巧，重量轻等特点，每条腿有三个自由度，采用开式链腿机构，依靠其独特的控
制系统及其算法，让JTUWM—III 四足机器人能够实现对角小跑的功能。尽管如此，该机器
人依旧拥有承载小，速度慢的短板，投入实际使用是个不小的问题[6]。之后于 2013年，上海
交通大学又研制了一种腿部采用两两对称布置的四足机器人，其 使用的对称放大机构能利用
较小的行程实现较大的运动范围，能够轻松完成越障的工作。同时腿部在伸缩时其转动惯量
保持不变，消除了部分惯性因素对稳定性造成的影响。用高强度铝合金材料制成的试样机能
够在承重 100kg 的情况下用对角步态稳步行走，相比于JTUWM—III 具有更加良好的承载能
力[7]。
南京航空航天大学也曾在国家“863”项目的资助下研发了一款以壁虎的生物结构和行
走步态为原型的四足机器人，该机器人的每条腿都只有一个自由度，但在背上还有一个自由
度。这种机器人具有结构简单，自由度少，质量轻等特点。这种背部关节机器人的直线平均速
度可达12.14mm/s[8]。
综上所述，我国在四足机器人方面的研究拥有不可否认的成果，但在结构设计与机理研
究方面依旧有着未能突破的难题，且以上机器人的设计研发都是以平地工作为目标，并未考
虑山地等崎岖地形的工作环境，没有以此来进行结构设计，难以投入实际生产使用，未来道
路任重而道远。
2.2.国外研究现状
国外对于四足机器人的研究早于我国许多，几十年的研究经验使得大部分国家的机器人
设计技术相对成熟。世界对于四足步行机器人的研究于上世纪 60 年代起步，至80 年代进入
广泛开展阶段，如今，世界各地的四足步行仿生机器人的相关研究都在稳步发展与进步。
国外最具代表性的四足机器人是由日本Shigeo Hirose 实验室于 20 世纪八九十年代研制
的TITAN 系列。TITAN-Ⅲ[9]的脚底部是由形状记忆合金组成，并且 Hirose 博士在其脚部安装
了传感和信号处理系统，能够自动检测脚底部和地面的接触状态，然后姿态传感器和姿态控
制系统会根据接收到的传感信息做出调整决策，使步态可以适应所检测到的地面，对不平整
地形具有良好的自适应性[10]。TITAN-Ⅵ能实现30°到 40°的楼梯上正常行走，其在当时采
用的新型的直动腿型结构很好的避免了上楼梯过程中各个腿部的互相干涉，并且因为其采用
的两级变速驱动机构，可以对腿部的支撑相和摆动相分别进行驱动[11]。
2005年，波士顿动力公司研发的 Bigdog[12]四足机器人，其四条腿每条都有一个主动驱
动关节与一个被动弹性关节，通过陀螺仪及其他传感器感知外部环境并根据外部环境来进行
步态规划，使其在各种地方都能保持较好的稳定性，因此Bigdog 能够很好的适应雪地、泥地
等更加崎岖困难的地形环境，在其中仍然能稳定行走。
意大利技术研究院（IIT）在经历了HyQ V1.0、V1.1、V1.2 三代机器人的更迭后，于 2010
年对外公布了HyQ 四足机器人，该机器人共12 个自由度，每条腿都有 3个自由度，侧摆关
节由高性能扭矩电机驱动，髋关节和膝关节都由定制的液压缸驱动[13]。之后于 2013年将其改
进为 HyQ2Real，全液压驱动，与前代相比具有更好的负载特性、动态特性、结构集成。
随着机器人行业的兴起，四足机器人的研究成果也如雨后春笋。除上述几款机器人之
图 3 HyQ 机器人
图 4 Bigdog 机器人
图 1 JTUWM—III 机器人 图 2 Biosbot 四足原型的结构
摘要：
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一、开题报告内容（课题的目的意义、与本课题有关的国内外研究（应用）情况及发展趋势、课题主要研究内容、参考文献等）1.课题研究背景及意义随着科技的不断发展与进步，机器人的问世将人类从许多高危工作环境中解放出来，再加之近年来自然灾害与战争频发，更多工作和任务更适合由机器人来完成，其中最常见泛用的便是四足仿生爬行机器人。四足机器人具有良好的环境适应性与灵活的运动性，使其能够在救灾、排雷、探险、娱乐、军事等各种环境下代替人工作业，减少人力成本与人员损耗[1]。基于以上原因，机器人成为了国内外新兴起的热门行业。又因工作环境的不同四足机器人的分类与结构设计往往都大相径庭，分为轮式、履带式与足式。轮式与履带...
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作者：闻远设计
分类：课程设计课件资料
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时间：2024-07-31
