四足机器人后退步态稳定性分析与规划*

doi:10.16731/j.cnki.1671-3133.2025.05.007

现代制造工程 ›› 2025, Vol. 536 ›› Issue (5): 53-63.doi: 10.16731/j.cnki.1671-3133.2025.05.007

四足机器人后退步态稳定性分析与规划^*

简艳英¹, 鲍治国²

1 商丘职业技术学院计算机工程学院,商丘 476100;
2 河南财经政法大学计算机与信息工程学院,郑州 450046

收稿日期:2024-03-21 出版日期:2025-05-18 发布日期:2025-05-30
通讯作者: 简艳英,硕士,副教授,主要研究方向为智能控制与计算机应用技术。E-mail:janeyay@126.com
作者简介:鲍治国,博士,副教授,主要研究方向为系统优化设计。
基金资助:
*河南省科技攻关项目(212102210533);河南省高等学校重点科研项目(24B520030)

Stability analysis and planning of the quadruped robot backward gait

JIAN Yanying¹, BAO Zhiguo²

1 School of Computer Engineering,Shangqiu Polytechnic,Shangqiu 476100,China;
2 School of Computer and Information Engineering,Henan University of Economics and Law,Zhengzhou 450046,China

Received:2024-03-21 Online:2025-05-18 Published:2025-05-30

摘要/Abstract

摘要： 面向四足机器人稳定行走的需求,开展了四足机器人后退步态稳定性分析与规划研究。首先,对所研究的足式机器人结构进行介绍,并采用D-H法建立了运动坐标系,初步确定了辅助动作参数。然后,利用稳定裕度指标表征四足机器人的静态和动态稳定性,并根据运动参数和关节驱动函数计算出重心位置随时间变化的关系。接着,在四足机器人的步态设计过程中,分析了腿部和首尾运动对四足机器人重心的影响,并通过主动作和辅助动作规划了后退步态全周期动作序列,确定了后退步态的动作参数。最后,采用虚拟样机仿真和物理样机试验验证了所提方法的可行性和有效性,为四足机器人的步态分析提供了理论方法支撑。

关键词: 四足机器人, 后退步态, 稳定裕度, 稳定性

Abstract: Aiming at the demand for stable walking of quadruped robots,a stability analysis and planning research of the backward gait of quadruped robot was carried out. Firstly,the structure of the legged robot was introduced. The motion coordinate system was established by D-H method,and the auxiliary action parameters were preliminarily determined. Then,the stability margin index was used to characterize the static and dynamic stability of the quadruped robot,and the relationship between the center position of gravity and time was calculated according to motion parameters and joint drive functions. Next,in the gait design process of quadruped robots,the influence of leg and head to tail movements on the center of gravity of the quadruped robot was analyzed,and the full-cycle action sequence of the backward gait was planned through active and auxiliary actions,and the action parameters of the backward gait were determined. Finally,the feasibility and effectiveness of the proposed method were verified by virtual prototype simulation and physical prototype experiment,which provides theoretical method support for gait analysis of quadruped robot.

Key words: quadruped robot, backward gait, stability margin, stability

中图分类号:

TP242.6

简艳英, 鲍治国. 四足机器人后退步态稳定性分析与规划^*[J]. 现代制造工程, 2025, 536(5): 53-63.

JIAN Yanying, BAO Zhiguo. Stability analysis and planning of the quadruped robot backward gait[J]. Modern Manufacturing Engineering, 2025, 536(5): 53-63.

参考文献

[1] 司海飞,胡兴柳,余振中,等.四足机器人对角小跑步态非线性控制方法仿真[J].计算机仿真,2020,37(1):303-306,389.
[2] 刘在阳.电机驱动四足机器人控制系统与多步态控制方法研究[D].济南:山东大学,2021.
[3] 吕友豪,贾袁骏,庄圆,等.基于多模态信息融合的四足机器人避障方法[J].工程科学学报,2024,46(8):1426-1433.
[4] 陈久朋,李春磊,伞红军,等.基于模型的四足机器人步态转换控制研究[J].农业机械学报,2024,55(3):431-440,451.
[5] 朱晓庆,王涛,阮晓钢,等.基于策略蒸馏的四足机器人步态学习方法[J/OL].北京航空航天大学学报:1-16[2024-04-15].https://doi.org/10.13700/j.bh.1001-5965.2023.0069.
[6] 杨宏强.ESP32的四足机器人步态规划与运动学分析[J].中国高新科技,2023,(24):58-59.DOI:10.13535/j.cnki.10-1507/n.2023.24.14.
[7] 李锦钰,白海军,刘玉旺.基于改进粒子群算法的四足机器人步态研究[J].工业仪表与自动化装置,2023(5):70-75.DOI:10.19950/j.cnki.cn61-1121/th.2023.05.015.
[8] 张文静,贺京杰,赵邑新.四足机器人稳定性判定及越障动作设计[J].北京石油化工学院学报,2023,31(3):40-49.DOI:10.19770/j.cnki.issn.1008-2565.2023.03.008.
[9] 赵杰亮,邢晋,牛群.基于俯仰位姿调整的四足机器人爬坡运动策略[J].华中科技大学学报(自然科学版),2023,51(6):10-15,22.DOI:10.13245/j.hust.230602.
[10] 朱晓庆,陈江涛,张思远,等.基于深度仲裁策略的四足机器人步态学习[J].北京理工大学学报,2023,43(11):1197-1204.DOI:10.15918/j.tbit1001-0645.2022.213.
[11] 吴国洋.非结构化环境下四足机器人避障性能研究[J].重庆理工大学学报(自然科学),2021,35(5):141-149.
[12] 蒋儒浩,王玉琳,刘冀,等.空间四足爬行机器人设计及步态规划[J].组合机床与自动化加工技术,2019(4):1-5.
[13] 邢伯阳,潘峰,冯肖雪.智能决策改进的四足机器人ZMP爬行步态算法[J].计算机工程与应用,2019,55(22):206-211,257.
[14] 桑董辉,陈原,高军.由2自由度并联髋关节构成的脊柱式四足步行机器人步态规划和稳定性分析[J].兵工学报,2020,41(6):1188-1200.
[15] 刘明敏,曲道奎,徐方,等.基于运动发散分量的四足机器人步态规划[J].浙江大学学报(工学版),2021,55(2):244-250,409.
[16] 郭建,赵易,陈景聪.基于步态规划的四足机器人运动学分析和仿真[J].组合机床与自动化加工技术,2021(7):57-61,65.
[17] 赵江波,龚思进,王军政.四足机器人步态参数优化及探索性行走策略[J].北京理工大学学报,2022,42(4):407-414.
[18] 张帅帅,尹燕芳,肖林京,等.基于门控循环神经网络的四足机器人静步态规划方法[J].吉林大学学报(工学版),2023,53(3):902-912.
[19] 陈久朋,李春磊,伞红军,等.基于模型的四足机器人步态转换控制研究[J].农业机械学报,2024,55(3):431-440,451.
[20] GUO P,LIANG Z,WANG X,et al. Adaptive trajectory tracking of wheeled mobile robot based on fixed-time convergence with uncalibrated camera parameters[J]. ISA Transactions,2019,99:1-8.DOI:10.1016/j.isatra.2019.09.021.
[21] BISWAL P,MOHANTY P K. Development of quadruped walking robots:A review[J]. Ain Shams Engineering Journal,2020, 12(2):2017-2031.DOI:10.1016/j.asej.2020.11.005.
[22] LIU F,WU D,CHEN K. The simplest creeping gait for a quadruped robot[J]. Proceedings of Institution of Mechanical Engineers Part C Journal of Mechanical Engineering Science,2013,227(1):170-177.
[23] 商德勇.薄煤层综采工作面巡检机器人运动分析及试验研究[D].北京:中国矿业大学(北京),2016.
[24] 陆卫丽,卞新高,焦建,等.四足爬行机器人步态分析与运动控制[J].机电工程,2012,29(8):886-889.
[25] LEE H. A new trajectory control of a flexible-link robot based on a distributed-parameter dynamic model[J]. International Journal of Control,2004,77(6):546-553.
[26] 勾文浩,袁立鹏,宫赤坤,等.基于足端轨迹的仿生四足机器人运动学分析与步态规划[J].现代制造工程,2017(7):37-41.

四足机器人后退步态稳定性分析与规划^*

Stability analysis and planning of the quadruped robot backward gait

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[1]	张昊, 屈小贞, 李刚. 分布式驱动电动汽车差速转向控制策略研究^*[J]. 现代制造工程, 2025, 538(7): 72-79.
[2]	李俊聪, 黄翔, 曾京, 汪群生. 高速列车蛇行稳定性自适应控制策略研究^*[J]. 现代制造工程, 2025, 533(2): 61-68.
[3]	谢子健, 秦建军, 曹钰. 基于改进TD3的四足机器人非结构化地形运动控制^*[J]. 现代制造工程, 2025, 532(1): 33-41.
[4]	余宏兵, 李宏洲, 周亮, 房晓龙, 王渭, 陈凤官, 明友, 耿圣陶, 叶晓节. 铝合金深盲小孔管电极电解加工试验研究^*[J]. 现代制造工程, 2024, 528(9): 103-109.
[5]	高晋, 杜明阳. 考虑柔性副车架的某轿车操纵稳定性优化研究^*[J]. 现代制造工程, 2024, 529(10): 90-97.
[6]	张晓林, 王保华, 邓召文, 吴华伟, 朱远志. 基于滑模协调控制的四轮独立电驱动车辆稳定性控制研究^*[J]. 现代制造工程, 2024, 520(1): 51-57.
[7]	李伟豪;茅健;郑武;张婷. 四足机器人腿部结构拓扑优化设计及力学性能分析[J]. 现代制造工程, 2023, 516(9): 45-53.
[8]	宋顺;李赞;王燕青;贾建宇;杨胜强. 间隙约束线电极电火花磨削加工方法加工区域线电极位置波动特性研究[J]. 现代制造工程, 2023, 515(8): 1-6.
[9]	张景豪，余永健，薛玉君，李济顺. 高速圆柱滚子轴承保持架动态特性分析[J]. 现代制造工程, 2023, 513(6): 71-77.
[10]	屈小贞，孙文愽，王斌，牛振宇. 基于积分滑模控制的分布式驱动电动汽车横向稳定性研究[J]. 现代制造工程, 2023, 512(5): 51-57.
[11]	王成;屈小贞;孙晓帮. 分布式驱动电动汽车的横向稳定性控制研究[J]. 现代制造工程, 2023, 518(11): 63-69.
[12]	柳泽坤;王保华. 分布式电驱动汽车列车横向稳定性控制研究[J]. 现代制造工程, 2023, 517(10): 64-71.
[13]	胡育齐,赵丽梅,曹振,汪龙华. 落重冲击试验仪的结构设计及优化[J]. 现代制造工程, 2023, 508(1): 133-138.
[14]	李德仓，彭伟尧，胥如迅，陈晓强，孟建军. 高速列车主动悬架滑模容错控制器设计[J]. 现代制造工程, 2022, 504(9): 40-47.
[15]	冯浩轩，屈小贞，李刚. 基于SBW与反演动态滑模ESP的汽车底盘协同控制研究[J]. 现代制造工程, 2022, 501(6): 32-38.