Bigdog机器狗运动规律建模与3D仿真(3)
小跑步态下完成爬坡运动的腿部姿态与最大爬坡角分析计算。通过分析四腿机器狗的
腿部机构以及其运动特征，四腿机器狗在运动过程中的静态稳定性，以及四腿机器狗
在保持静态稳定性的基础上实现步态规划。最后，通过D3D进行编程模拟Bigdog机
器狗运动。
最后，在本课题的研究中，争取实现静态稳定性判断算法的创新与改进。1.1.2课题研究目的
本论文主要通过对四腿机器狗的腿部机构进行定性定量的分析，建立腿部基本架
构图，对腿部架构图建立几何数学模型，判断四腿机器狗在对角小跑步态下不同的运
动姿态中能否保持静态稳定性。然后，对于不能保持静态稳定性的情况进行一定的腿
部姿态变化算法，判定其是否可以达到静态稳定，并将腿部姿态变化算法与稳定性判
定算法相结合，提出比较完善的静态平衡算法。
通过学习和自主思考进行静态稳定性判断算法的改进和创新，实现在不平坦路面
上的三文立体空间中的四腿机器狗对角小跑稳定性的判断。该稳定性算法为不平坦地
面上实现稳定性的判断提供了很好的理论依据，并为以后判断爬坡的最大坡度角提供
了思路和研究方法。
1．2课题的研究背景
机器人技术是一门交叉科学，它涉及到力学、机械学、电子学、生物学、计算机、
人工智能、系统工程等学科知识。而移动机器人作为一种特殊的机器人，有自己的优
点。当前移动机器人主要包括轮式、履带式、步行、爬行以及蠕动等。对于轮式机器
人，自车轮的问世以来，它在坚硬地面上运动是十分可靠的。对于不平度远小于车轮
半径的地面，通过充气轮胎或其它弹簧阻尼系统的隔振也可实现有效的移动。但是，
在不平坦地面上行驶时，轮式机器人的能耗会大大增加，而在松软地形和严重崎岖地
形上，车轮的作用也将严重丧失，移动效率大大地降低。为了提高轮子对松软地面的
适应能力，履带式机器人应运而生。履带使车身载荷分布在一块较大的面积上，相当
于一种为轮子铺路的装置，并且可产生较大的推动力，可在松软地面上行走而不至陷
入。但履带式机器人在严重崎岖地面上的机动性仍然很差，而且机器人机身晃动严重。
轮式和履带式移动方式对周围环境的要求较高，因而其应用范围受到一定的限
制。爬行和蠕动式机器人主要用于管道和其它狭窄空间内的工作，具有良好的稳定性，
但是移动速度较慢。考虑到上述几种移动机器人的不足，人们通过研究和模仿动物的
行走姿势设计了独特的足式运动机构。这种足式机器人相比轮式和履带式机器人，具
有如下优越性能：
(1)足式运动方式具有良好的机动性，即对不平坦地面有较好的适应能力。该方
式的立足点是离散的，可以在可达到的地面上选择最优的支撑点。足式机器人可以通
过松软地面(沼泽、沙漠等)和严重崎岖的地面(乱石岗、陡坡等),以及跨越一些较大
的障碍(沟、坎等)；(2)足式机器人可以有主动隔振，即允许机身运动轨迹与足式运动轨迹解耦，尽
管地面高低不平，机身运动仍可做到相当平稳；
(3)足式机器人在崎岖地面和松软地面上的运动速度比较高，能耗比较小；
(4)足式机器人腿部有多个不同的关节，运动灵活，反应迅速。对环境具有很强
的适应性，既可以进入相对狭窄的空间，也可以跨越障碍、上下台阶、上下斜坡。
基于以上优点，多足步行机器人有着广泛的应用前景。在松软地面和严重崎岖地