技术分享 | 什么是Minitaur四足机器人?

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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