技术分享 | 什么是Minitaur四足机器人？

Posted 2021-10-04 阿木实验室

什么是Minitaur四足机器人？

Minitaur是Ghost Robotics早期研制的一款高性能小型四足机器人，其虽然仅具有8个自由度但是却有着非比寻常的运动能力和不输于MIT猎豹的越障、空翻能力，Minitaur采用8个无刷电机作为动力来源，整机自重4kg，最快运动速度2m/s，续航大约为20分钟，虽然其以并联结构来设计腿部但基于Kodlab所研究的力控制算法能实现稳定的Trot、Bound和Pronk步态，是一个低成本、高性能的四足机器人研发平台。

相关网站： GhostRobotic官网 kodlab官网

什么是Webots仿真？ Webots是专业的移动机器人仿真软件包。它提供了快速的原型制作环境，使用户可以创建具有物理特性（例如质量，关节，摩擦系数等）的3D虚拟世界。用户可以添加简单的被动对象或称为移动机器人的主动对象。这些机器人可以具有不同的移动方案（轮式机器人，有腿机器人或飞行机器人）。而且，它们可能配备有许多传感器和执行器设备，例如距离传感器，驱动轮，摄像机，马达，触摸传感器，发射器，接收器等。最后，用户可以对每个机器人进行单独编程，以表现出所需的行为。Webots包含大量机器人模型和控制器程序示例，以帮助用户入门。Webots还包含许多与真实移动机器人的接口，因此，一旦您模拟的机器人表现出预期的行为，您就可以将其控制程序转移到诸如e-puck，DARwIn-OP，Nao等真实机器人上。可以添加新接口通过相关系统。

典型应用场景： 测试机器人算法（导航、规划、控制、视觉等任何算法）

Webots的特点： 丰富的物理引擎 丰富的机器人模型和环境库 多种多样的传感器选择 便捷的机器人建模界面

相关网站： Webots官网

基于Webots的四足机器人仿真有什么用？ Webots仿真是机器人众多的仿真软件选择，其具有丰富的传感器和驱动单元，同时其可以与ROS和Matlab等环境就行联合开发，支持Python和C++等丰富的编程语言，并具有便捷的机器人建模界面，通过安装相机或雷达传感器能基于Webots环境实现SLAM算法的开发和机器人导航规划算法的研究，基于Webots实现四足机器人仿真能帮助我们在实际部署算法前对控制逻辑、框架、状态估计算法就行测试和验证。

面向四足机器人基于Webots能实现如下的仿真目的： 1、控制算法验证。其实无论研究任何机器人控制算法，特别对于仿生机器人这样多自由度的系统来说，在想实际系统中部署控制算法前的仿真是十分必要的。仿真除了能验证机器人的运动学和雅可比矩阵外，对于更加先进的控制算法如MPC或WBC没有仿真上的验证，是无法对理论的正确性进行证明的。同时仿真也能为复杂的控制策略提供提前的验证，帮助快速找到逻辑设计中的bug，也为参数的整定提供了大致的范围。

2、SLAM算法验证。借助于Webots强大的功能，你可以在仿真环境中添加摄像头、激光雷达等各种传感器，通过仿真器搭建贴近真实世界的仿真环境，测试相关检测、识别等视觉算法的功能。这样结合真实的机器人模型能快速地对SLAM算法进行验证，同时开展对机器人轨迹规划和控制算法的设计，最终在实际系统中只需要保证对控制命令的是实现和定位的可靠性，导航逻辑与轨迹规划结构就能快速地进行部署。

3、四足机器人开发设计。借助于Webots强大的能力，你可以在Webots中导入你自己机器人模型，并对四足机器人的腿部连杆和传动系统设计的可靠性、效率进行验证，通过定义各部件的准确物料参数，能让最终的仿真模型即外观与物理样机一致，同时相关动力学参数也相符，从而让仿真中相关控制参数更具有实际的参考价值。

本项目的重点是什么： 本项目为使用者搭建了一个最基本的四足机器人力控制框架，采用Minitaur 8自由度四足机器人模型来实现站立控制、Trot移动控制与Pronk跳跃控制，基于虚拟模型控制理论、QP非线性优化和倒立摆控制理论，学习四足机器人基本的控制方法和摆动落足点规划丰富，我们将在此基础上完成上下斜坡、上下台阶、通过崎岖地形的仿真测试。

项目提供的方案已经可以完成基本的站立的走动： 软件：四足机器人基本站立和Trot运动控制的框架。 教程：Webots相关API使用，四足机器人基础控制算法教程。

我们将要完成的任务 第一期： 在Webots环境中进行站立步态测试，通过给的期望状态实现机器人姿态角度和质心位置的调节与控制。

第二期： 在Webots环境进行Tort对角小跑步态运动测试，通过给的期望速度实现机器人对速度的闭环控制。

第三期： 在Webots环境中进行Pronk跳跃步态运动测试，基于能量控制原理实现机器人的跳跃。

第四期： 完善相关控制接口，引入地形角度估计等机制实现上下斜坡的控制和通过崎岖地形。

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