[14]，最终选择机体长180 mm，中间两腿宽134 mm，前后两腿宽98 mm；各连杆长为x1=35 mm，x2=92 mm，x3=88 mm，x4=35 mm，x5=35 mm，x6=74 mm，x7=56 mm；三个转角为θ1=–0.785 4，θ2=0.200 6，θ3=0.488 3。整机设计质量8 kg，代入式(30a)求得T1=2.36 N·m。而经过分析与仿真可以求得，若采用直接串联式机构，大腿关节所需的转矩约为3.4 N?m，为双四杆机构的1.44 倍，小腿关节所需转矩为0.12 N?m，与双四杆机构相差不大。可见，采用双四杆机构可以有效减少驱动关节的输出转矩。 4 试验研究
为验证设计的可行性和可靠性，本课题组基于双四杆构型开发了样机，并控制其进行了相应的承载和行走试验。整机大多数板件与连杆采用碳纤维，从而减轻整体质量；驱动关节处，髋关节与小腿关节采用ROBOTIS 公司生产的Dynamixel 系列RX28 伺服电动机，由于大腿关节主要负责支撑机体，采用转矩较大的RX64 伺服电动机。整机完成后，站立时长约50 cm，宽约38 cm，空载质量3.7 kg。经过测试，空载时行走最大速度可达34 cm/s，步矩采用50 mm，通过计算可知此点在工作空间范围内，采用三角步态每行走周期走两个步矩，行走情况见图14。接下来进行了负载试验，给机体上加入重物，使整机到达设计质量的8 kg。再进行行走试验，见图15。此时仍能够良好行走，各个电动机均在承载能力范围内，速度可达20 cm/s，更快的速度由于担心对机构有所损伤而没有测试，此速度已经满足设计的要求。
本课题组之前设计的串联式构形蟑螂机器人(图1)，负载最大只能达到63 N，且此时速度只能达到约5 cm/s[15]。文献[16]中基于串联式构形设计的机器人，机身长15 cm，在总质量约1 kg 的情况下最大速度10cm/s，将其同比例放大后，本设计也更加快速，并可带动更多负载。试验中机器人良好的运动能力和出色的承载能力验证了设计的合理性，说明基于双四杆构型设计机器人腿结构，机器人运动灵活稳定，机器人的承载能力强。 6 结论
(1) 基于双四杆机构设计了一种蟑螂机器人的腿构形。对新设计的双四杆机构进行了自由度分析，可以得知支撑腿使机体中心任务空间具有6 自由度，可调整位置与姿态。
(2) 对新设计机构的运动学进行分析，将站立腿与机体看作并联机器人，将摆动腿看作串联机器人，可根据求得运动学逆解从而控制各驱动关节。(3) 对连杆之间的受力情况进行分析，求得两驱动关节所需转矩的大小。从分析结果可以看出大腿关节主要负责输出力，支撑机体，而小腿关节主要提供运动。与串联式构形对比可很大程度上减少驱动关节输出转矩。
(4) 对机体工作空间进行分析，提出了快速工作空间与越障工作空间两个概念，分别来衡量机器人的运动灵活性与越障能力。经过分析可知道双四杆构形的工作空间比直接串联构形小，但本质上讲此设计是舍弃了不常用的工作空间换来了驱动关节所需力矩的减小，同时使驱动部件更接近机体中心。
(5) 设计了基于双四杆构形的蟑螂机器人样机，比直接串联式运动速度快、承载能力好，验证了此设计的合理性。为本课题组未来进行自由步态
生成、非结构环境的动力学建模与控制提供了试验平台，也为此类机构的设计者提供了参考经验。
参 考 文 献
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1-6.
J I A N G S U U N I V E R S I T Y
基于双四杆机构的蟑螂机器人设计与分析
学院名称： 机械工程学院 专业班级： 学生姓名： 学生学号： 指导教师姓名：
2011 年 11 月 1 日