1. 研究目的与意义（文献综述）

众所周知，在地球的陆地表面，有超过50%以上的面积为崎岖不平的山丘或低洼潮湿的沼泽，不适合轮式或履带式机器人在上面行走。在这种情况下，足式机器人有着轮式和履带式机器人无法比拟的优点。足式机器人可以利用孤立的地面支撑而不是轮式机器人所需的连续地面支撑，在可能到达的地面上能够选择最优的支撑点，更加适应不平坦的地面，因此具有更强的机动性和更好的适应性；另外，足式机器人腿部所具有的多个自由度，使其具有良好的选择性与灵活性，这些特点使得足式机器人在非结构化、存在不确定因素的环境中具有一定的优势。因此，足式机器人近年来日益成为国内外机器人领域的研究热点，不断激励着科学家们锲而不舍地探索其中的奥秘。
在形形色色的足式机器人中，六足机器人对科研人员们有着巨大的吸引力，因为它是模仿六足动物结构特点和运动形式的一种极为特殊，又极为优秀的机器人，它既有优于双足机器人的高负载性与高平稳性，又具备多足机器人更大的腿部运动空间；它既能以静态步行方式在复杂地形上缓慢行走，又能以动态步行方式在一般道路上高速行进，这些特质使其在抢险救灾、反恐排爆、军事运输、野外勘探、星球探测、农业生产、教育及娱乐等诸多方面都有其极其广阔的发展远景。
1.2 多足机器人的国内外研究现状
我国早在三国时期就有诸葛亮发明“木牛流马”并使用其运送粮草的记载。而 国外史册记载最早的多足机器人是 rygg 于 1893 年设计的机械马。随着科学技术 的进步和发展，到了上世纪 70 年代，美国 ge 公司研发了一款经典的名为“walking truck”的四足机器人。其后，现代信息技术、现代控制理论和传感技术得到了长 足的丰富和进步，多足机器人的基础理论和应用技术取得了丰硕的成果。本节将先后针对国内外一些研究机构或者公司在多足机器人领域的研究成果和研究方法进行概括和总结，以便于本课题研究的展开。
1.2.1 国内各机构多足机器人的研究现状
华中科技大学将手脚融合功能应用于“4 2”六足机器人的研制，使模块化的腿机构同时具备手和脚的功能。该机器人每条腿包含 3 个主动驱动关节和 1 个球铰链式踝关节。苏军、李栓柱等对此六足机器人进行了全方位步态和斜 坡步态的分析研究。 继“4 2”六足机器人，华中科技大学进一步研发了可重构的 miniquad 四足机 器人，并对其进行了正运动学分析。更深入地，王新杰等完成了该四 足机器人动力学模型的建立，利用平方规划算法解决了其脚力分配问题。此外，他们还对四足机器人关节位姿和稳定性进行了研究，提出了一种通过定义立足点的 静态稳定区域进行机器人稳定性分析的新方法。
北京航空航天大学丁希仑等人分别从行走能力、稳定性和能耗三个角度对六边 形对称分布的 noros 六足机器人在同样占地系数前提下的摆动步态、踢 腿步态和混合步态进行了研究和比较，并分析了该六足机器人的越障能力和穿越窄道的能力。
哈尔滨工程大学研制了具有水陆两栖功能的仿蟹八足机器人。该机器人机身两侧分布有八条腿，每条腿3个自由度。该机器人采用基于arm的双层分布式的控制策略，通过安装于机身的传感器获取环境信息，能在海滩、礁石和崎岖不平的地形自主行走。此外，王刚等还研究了该机器人的步序和步态参数，在分析了相位因子变化对步态的影响前提下，规划出交错等相位波动步态。哈尔滨工业大学以六足昆虫作为仿生背景利用仿生原理研制了一种六足机器人，并对其机构、运动模式和步态控制进行了深入研究。针对性的提出了仿生六 足机器人在非结构化地形中的落足点选取方法和基于足力分布的位姿调整策略以 保证该机器人能够在非结构化地形中稳定行走。哈尔滨工业大学赵杰等研制了新型hitcr-Ⅰ型六足机器人。该六足机器人拥有基于arm和fpga的多层次控制系统，借助于足端和躯干上的传感器可 实现基于“功能-行为”的控制策略。不仅如此，他们还设计了集成于腿部的足端力传感器和关节力矩传感器，实现了基于足端位置和力反馈的阻抗控制策略，并建立了六足机器人的步态和姿态“动作库”，以供控制系统实时调用。
哈尔滨工业大学还研制了基于 can 总线控制的四足机器人。该四足机器人以 dsp 为控制核心，采用自调整模糊控制策略，有效地克服了机器人关节轨迹跟踪控制中耦合、力矩非线性等因素的影响。黄博等提出了基于中枢神经模式发生器(central pattern generator，cpg)的比例步态控制方式，并在此基础上研究了四足机器人直行和爬楼梯步态。 国内其它高校的相关研究机构如上海交通大学机械系统与振动国家实验室研发 的“智慧小象”以及“六爪章鱼”、北京理工大学研制的弓背蚁六足机器人也比较有代表性。
1.2.2 国外各机构多足机器人的研究现状
西班牙国家研究委员会工业自动化研究所的de santos p g等先后研制了silo-4 四足机器人和silo-6六足机器人，分别如图1-8和图1-9所示。silo-4四足机器人采用紧凑、模块化的结构，能够识别不规则地形，跨越高250mm的障碍物，并且拥有约 15kg的有效载荷，载荷时最大行走速度约1.5m/min。silo-6六足机器人是该机构于2009年研制的具备野外排雷功能的作战型多足机器人，该机器人以连续自由蟹 步态运用在排雷作业中。此外，该机构还研究了六足机器人在地形识别任务中获取地形图、障碍物的轮廓和户外定位等问题。
2008年，美国国家航空和宇宙航行局研制了一款名为“athlete”的轮足式机 器人。该机器人的足端采用轮式结构，在规则地面上移动时使用车轮 移动，最快行走速度为10km/h；当遇到复杂的不规则地形时，其灵活的6个“爪子” 则代替车轮前行。该机器人的有效载荷为450kg，在硬质地形上最大爬坡能力为35°、 沙地地形上最大爬坡能力为25°。该机器人的主要用途是服务于月球或其它星球上的空间任务，为实验室、空间站或设备的远途探测提供便利。
日本电气通信大学木村浩等研制了 tekken 四足机器人，提出了一种生物启发的控制模式，将生物控制方法分成了四个等级。更深入地，他们整合了 牵张反射、前庭脊髓反射和伸/屈反射反馈至 cpg 的生物控制模式，并研究了将滚 动运动反馈至 cpg 来控制俯仰运动。之后，木村浩等又提出了一种使四足机器人以中等行走速度行走在不规则地形上的生物控制概念。 2004 年，美国波士顿动力公司研制了一款应用于学习运动的实验型四足机器人 ——littledog。littledog 每条腿有 3 个自由度，由电动机驱动，腿 部运动范围大，能够完成如登山等特殊的运动步态。littledog 具备关节角度、电机 电流、身体的方向及脚/地面接触与否等传感器测量装置。一些权威机构，如斯坦福 大学、麻省理工学院、南加利福尼亚大学等正在使用 littledog 探索电机学习、动态 控制、环境感知以及越野运动之间的基本关系。 2005 年，美国波士顿动力公司首次对外公开了一款可在各种地形上行走的四足 机器人——bigdog。该机器人能够像四足哺乳动物一样以一定的速度流畅自主的行走，目前最大速度可以达到 10km/h。bigdog 能够适应户外的各种地形，且具备较大的负载能力，标准负荷为 50kg。bigdog 开发的目的主要用于在崎岖不平的地面上代替轮式车辆运输军方物资。 国外其他科学家及研究机构在多足机器人领域也取得了丰硕成果，如英国设计 师马特·丹顿于 2012 年测试成功了一款“巨型螳螂”六足机器人。该六足机器人重约 2t，高达 2.8m，搭载 2.2l 涡轮增压柴油发动机驱动，拥有类似于汽车的驾驶舱。
2014年9月美国麻省理工学院公布了其研发的奔跑机器猎豹的最新版本，它不仅会跳跃，而且奔跑速度将有望超越“飞人”博尔特。该机器人不仅 能够以较快的速度奔跑，室内测试速度可达16.1km/h，甚至跨栏后仍能继续奔跑，最终测试速度达到48.3km/h。

2. 研究的基本内容与方案

本文所研究的仿生六足机器人实验样机单步行腿具有 3 个自由度，是一个串联机构，全部六条腿共有18个自由度。六足机器人的运动学分析是进行步态规划与分析、步态实验的基础，同样也是动力学建模的理论必备。本文拟从六足机器人单步行腿的 d-h 模型入手，利用齐次变换推导运动学正反解，并在此基础上对六足机器人单步行腿足端运动空间进行分析，为步态规划与分析奠定理论基础。

本文对一款仿生六足机器人实验样机的结构设计与分析、步态规划与分析、关节位置和速度轨迹跟踪控制展开研究。根据该六足机器人自身结构特点，本文将主要针对该机器人的结构设计与分析、运动学特性、步态规划、动力学建模和关节轨迹控制策略等几个方面进行分析研究。具体可表述如下：

第 1 章简要介绍了国内外在多足机器人领域的最新研究成果、研究方法以及当前研究呈现出的问题。为了开展后续章节的分析研究，本章还对常用的六足机器人 步态理论、步态规划与控制的基本理论以及步态稳定性判定理论做了扼要的介绍。

3. 研究计划与安排

在进度安排上，我是根据自己的课程安排，同时结合老师给我们布置的任务量情况，在前期以资料查找、文献阅读为主，在理清论文整体思路之后，逐步完善论文各部分内容。具体进度安排如下：

第1～3周认真阅读任务书，查阅相关资料，明确研究内容，完成开题报告的撰写，并完成至少一篇英文文献的翻译。

4. 参考文献（12篇以上）

[1]陈志伟,金波,朱世强,黄翰林,陈刚.液压驱动仿生多足机器人单腿设计与试验[j].农业工程学报,2016,32(05):36-42.

[2]戴伟力. 桥梁检测用多足蜘蛛型机器人的步态规划与姿态控制研究[d].华南理工大学,2012.

[3]辛桂阳,钟国梁,王恒升,邓华.基于对偶二次规划的六足并联机器人驱动力分配[j/ol].机械工程学报:1-8[2018-03-14].