小组成员：何燕飞、郑义、陈斌、周鹏、陈海云：机器人的四足行走机构创新设计
第1章
1.1设计的目的
随着科学技术的发展，仿生学与其他学科相互渗入，科学家对各类生物体的研究也越来越重视。随着自然环境的变迁，自然界中的动物不断演化，形成了动物体各自独特的生理结构和运动方式。通过对各种动物整体结构、运动和控制方式的研究，仿制出各种类似动物运动方式的行走机构。但仿制的机构与生物体实际功能存在一定差距，且研究范围狭窄。如今，随着研究的不断深入，尤其对陆地行走动物进行了全面的研究，包括：局部模仿、整体生理结构和控制机能的研究，均取得了优异的效果。
具有驱动轮的轮式交通工具对路面状况的依赖性较大，在前进中遇到有障碍的路面或者坡地时则难以通行；但是具有四足的哺乳动物，诸如牛、马、羊则通过驱动腿部来带动物体轻而易举地前进，而且对路况没有太多的限制，可以适用于各种抢险救灾的不平整路况的物资和装备运输。并且，这些年各国领导人对环保工作也非常重视，而各类轮式交通工具所导致的废气排放和交通事故等问题却严重影响到人类的生存。因此，具有独特跨越障碍能力的足腿式仿生机构既环保又安全，越来越受到人们的重视，具有非常大的市场前景，将成为未来主要的物资运输交通工具。
1.2设计的意义
仿生地面行走机构是根据仿生学原理，结合先进的计算机技术，光电技术及智
能控制技术，通过机械的方式模仿动物行走的特种机器人。从机器人的角度来看，仿生机器人是机器人发展的最高阶段；从仿生学的角度来看，仿生机器人是机械学、仿生学等学科技术的完美综合与全面应用[1]。仿生机器人的运动学、动力学特性十分复杂，在军事运输及探测、医疗康复、星球探测、农业机械、森林采伐、教育及娱乐等行业具有非常大潜在的应用前景[2]。
步行式行走机构是模仿行走动物运动方式的一类机器人，与动物的生理结构和运动方式类似，它是支撑足离散地接触地面，自主选择最佳落足点，运动轨迹是一系列孤立的点；具有主动隔振能力，能以较高速度在凸凹不平地面和松软地面上运动，能耗较小；可以进行跨越运动，受环境限制较小。步行式行走机构与上述各种运动方式相比，应用前景更为广阔。很多步行式动物较之其它地面运动形式有着独特的越性
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能，可在地球上近一半的地面行走自如[3]。
1.3设计应达到的技术要求
国内外四足步行行走机构有静态稳定和动态稳定两种步行方式。静态稳定步行方式可实现行走机构稳定行走于崎岖不平的复杂地形上，实现跨越障碍地行走；动态稳定步行方式使行走机构在任意时刻以不足于三条支撑腿高速行走，且能实现任意方向行走和原地转弯。具有四足的哺乳动物最普通的运动行为是能够以较高的速度跨过凸凹不平的地面，并突然启动或者停止。 技术要求：
1.中心要求是能够平稳行走，具体能够在凹凸不平的路况下稳健行走。 2.根据四足生物的步态设计四足机器人的四足行走机构的步态。
3.具有一定的承载能力，在本小组的设计中，该四足机构可以承受大约60kg的重量。 4.较为容易控制，行走步态稳定简单。
1.4简述本课题在国内（外）发展概况及存在的问题 1.4.1国外仿生四足机器人
1968 年美国 Mosher 研发的“Walking Truck”四足步行机（图 1-1）主要通过液压伺服马达系统来驱动四条腿动作，其行走速度比人快一倍，前足能提起 200多千克的重物，具有步行及翻越障碍的能力。步态控制没能得到实质性的体现，只能靠人操作来移动机械装置。
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图 1-1 四足步行机 图 1-2 KUNO-I 机器人
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1976 年，日本东京工业大学广濑茂男研发的四足机器人—KUMO-I 四足机器人（图 1-2），它有点像一只蜘蛛，但仅有四条腿，从机械工程角度考虑，腿量越少，机构越简单，控制越容易；从静态行走方面考虑，至少需要三条腿才能保证形成稳定的支撑区域，故采用四足方式。
2005 年，波士顿动力学工程公司（Boron Dynamics）开发了 BigDog 四足机器人（图 1-3），它通过汽油机驱动的液压系统带动关节的四肢运动，可以攀越 35o 的斜坡，并能够为士兵运送弹药、食物和其他物品，适应环境能力非常强。1999 年，日本 SONY 公司推出的 AIBO 机器狗（图 1-4），具有 18 个自由度，模拟实现了真狗的各类动作，不同时期能表现出不同行为。
[3] 图 1-3 Big dog 四足机器人 图 1-4 Warp1 四足机器人
1.4.2国内仿生四足机器人
我国研究腿式机器人起步较晚，与发达国家存在着很大差距。自 1985 年起，国家开始逐步加大了机器人产业的投入，并取得了长足的进展，一些学校与研究机构先后对机器人方面展开了研究，并对多足步行机器人的基础研究取得了显著的成果。
1990 年，清华大学于研制的 QW-I 全方位四足步行机器人（图 1-5），其体形小巧，采用平面四杆缩放机构作为步行机构，足端安装压力传感器，每条腿有 3 个自由度，通过电机驱动实现了基本四足步态、多足基本步态、全方位步行运动，适应地表能力强[17]。
华中科技大学于 2004 年自主开发了“4+2”多足步行机器人（图 1-6），该机器人的主要特征是具有腿臂融合的开链式机构。所谓“4+2”是指该机器人最多可用六条腿在复杂步行区域内进行稳步行走，而在工作区域则可将两条腿变形为工作臂的四足机器人。该步行机构不仅具有非常优秀的步行移动功能，更可以借助机械手臂等末端执行工具完成指定的任务，实现其多功能性。
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[15]
图 1-5 QW-I 型四足机器人 图 1-6 “4+2”多足步行机器人
1.5本设计的指导思想
根据马的平地运动特性，对仿马四足行走机构的设计应考虑以下几个方面： 1．仿马四足行走机构的步行足着地时，能够支撑整体的重量，足与地面间的摩擦力所产生的反作用力能驱动机箱与承载货物的重心前移。
2．在行走机构运动时，步行足应具备“蹬地→抬起→迈步→着地”的动作。 3．为保证行走机构运动的稳定性，步行足的着地时间要多于悬空时间，四腿的步态符合仿生的稳定行走步态，且遵循“大步低、小步高”的原则。
4．各个运动部件之间采用圆柱面铰接连接，低副铰接促使单腿的自由度为1，增加哦机构运动的稳定性。
5．确保行走机构能匀速平稳的运动而不翻到，且整机能平衡的停止。由于足与地面之间的是间歇性的面接触，故振动与平衡成为行走机构设计时需要考虑的问题。行走机构在静止和运动过程中，保证整体质心的投影与步行足符合稳定性的条件。 6.设计的机构必须保证运动过程中机箱和货物的重心在同一的水平线上，以达到货物在运输过程中的平稳性。
1.6阐述本设计应解决的主要问题
一、机构运动轨迹设计：运动轨迹设计是指在足端的运动轨迹确定的情况下，反推腿的各部分构件的运动轨迹，从而得到两个电机的运动方程，四条腿中一条腿的运动轨迹确定，其余三条腿的运动轨迹就是周期性问题符合步态的轨迹。
二、机构的各部分尺寸设计：根据实际的要求设计基本的机器人四足行走机构的基
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本尺寸，在与机构运动轨迹设计相结合，修改相应的尺寸参数。
三、 机构的稳定性：首先是四足行走机构能够承受机箱和货物的重量，接着是在运动过程中能够保证机构的稳定行走，最后是能够在行走过程中平稳地停止和平稳地启动。
四、 机构的可行性：机构的设计符合动力学原理，机构的运行在理论上达到预期的行走轨迹和承重平稳行走能力，考虑一部分经济因素和当今制造技术，可是实现机构在现实生活中的运用。
1.7本设计采用的研究（计算）手段方式方法
本设计以马型四足行走机构为研究对象，是一种仿生机器人行走机构的设计，综合本小组的资源，所以有以下的研究方法：
1.研究马等四足动物的的骨骼组成和运动原理，结合所学的机械原理等课程，设计仿生四足机器人行走机构的机构机构运动简图。
2.由于它的运动学方程是一组非线性方程,没有通用的解法,通常很难求得运动学方程解的解析表达式。采用几何解法,把空间几何问题分解成若干个平面几何问题,这样,不用建立运动学方程,而直接应用平面几何的方法进行运动轨迹规划，找到机构的极限位置和运动过程中的一些点的位置，利用描点连线的方式得到机构的运动轨迹。
3.根据足端的运动轨迹，和平行四边形的约束，求解出水平和竖直电机的运动方程，关节角的运动大致范围。
4.最后对运动学正、逆问题以及工作空间进行了计算机仿真以及实验研究,通过实验验证该结构的正确可行性。
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