小型四足机器人的机械设计与仿真
进入20世纪后，机器人的研究与开发得到了更多人的关心与支持，一些实用化的机器人相继问世，1927年美国西屋公司工程师温兹利制造了第一个机器人“电报箱”，并在纽约举行的世界博览会上展出。它是一个电动机器人，装有无线电发报机，可以回答一些问题，但该机器人不能走动。
自1946年第一台数字电子计算机问世以来，计算机取得了惊人的进步，向高速度、大容量、低价格的方向发展。大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展，其结果之一便是1952年数控机床的诞生。与数控机床相关的控制、机械零件的研究又为机器人的开发奠定了基础。另一方面，原子能实验室的恶劣环境要求某些操作机械代替人处理放射性物质。在这一需求背景下，美国原子能委员会的阿尔贡研究所于1947年开发了遥控机械手，1948年又开发了机械式的主从机械手。
1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人。现有的机器人差不多都采用这种控制方式。
作为机器人产品最早的实用机型(示教再现)是1962年美国AMF公司推出的“VERSTRAN”，和UNIMAT10N公司推出的“UN1MATE“，。这些工业机器人的控制方式与数控机床大致相似，但外形特征迥异，主要由类似人的手和臂组成。
1965年，MIT的Robots演示了第一个具有视觉传感器的、能识别与定位简单积木的机器人系统。
1967年日本成立了人工手研究会(现改名为仿生机构研究会)，同年召开了日本首届机器人学术会。
1970年在美国召开了第一届国际工业机器人学术会议。1970年以后，机器人的研究得到迅速广泛的普及。
1973年，辛辛那提·米拉克隆公司的理查德·豪恩制造了第一台由小型计算机控制的工业机器人，它是液压驱动的，能提升的有效负载达45公斤。
到了1980年，工业机器人才真正在日本普及，故称该年为“机器人元年”。 随后，工业机器人在日本得到了巨大发展，日本也因此而赢得了“机器人王国的美称”。
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随着计算机技术和人工智能技术的飞速发展，使机器人在功能和技术层次上有了很大的提高，移动机器人和机器人的视觉和触觉等技术就是典型的代表。由于这些技术的发展，推动了机器人概念的延伸。80年代，将具有感觉、思考、决策和动作能力的系统称为智能机器人，这是一个概括的、含义广泛的概念。
这一概念不但指导了机器人技术的研究和应用，而且又赋予了机器人技术向深广发展的巨大空间，水下机器人、空间机器人、空中机器人、地面机器人、微小型机器人等各种用途的机器人相继问世，许多梦想成为了现实。将机器人的技术(如传感技术、智能技术、控制技术等)扩散和渗透到各个领域形成了各式各样的新机器一一机器人化机器。当前与信息技术的交互和融合又产生了“软件机器人”、“网络机器人”的名称，这也说明了人类在机器人方面所具有的创新活力。
1.1.2 四足机器人概述
目前机器人的移动方式主要包括轮式、履带式、步行、爬行、蠕动等。车轮自其问世以来，一直是在坚硬平地上运动的最有效工具。对于不平度小于车轮半径的地面，通过充气或其它弹簧阻尼系统的隔振，车辆的舒适度是相当好的。但是在不平地面上行驶时，轮式车辆的能量大大增加，而在松软地面或严重崎岖不平的地形上，车轮的作用将严重丧失。
为了改善轮子对松软地面和不平地面的适应能力，履带式车辆应运而生。履带使车身载荷分布在一块比较大的面积上，相当于一种为轮子铺路的装置，履带由于可以产生较大的推进力且不像轮子那样容易陷入松软地面，在工程上和军事上均得到广泛的应用。但是履带运动方式在不平地面上的机动性仍然很
差，特别是转向时的滑动和陷入使其能耗率大为下降，同时车身晃动仍然严重。
轮式、履带式对环境空间要求较高，因而其应用范围受到一定的限制。爬行和蠕动型机器人主要用于管道和其它狭窄空间内工作，具有良好的静、动稳定性，但移动速度较慢。步行是人和大多数高等动物共同采用的移动方式，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、上下斜坡甚至在不平整地面上运动。使得其与上述各种运动方式相比，
具有更广阔应用前景。据调查，地球上近一半的地面不能为传统的轮式或履带式到
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达，而很多足式动物却可以在这些地面上行走自如。这给人们一种启示:足式运动具有其它地面推进方式所不具备的独特优越性能。
现有的步行机器人(包括跳跃机)的足数分别为一足、二足、三足、四足、六足、八足甚至更多。其中偶数占绝大多数，因为就直线运动来说，偶数足能产生有效的步态。足的数目多时适合于重载和慢速运动(如海底行业步行机)，而二足或四足结构简单且更灵活一些。与二足相比，四足步行机器人承载能力强、稳定性好，既能以静态步行方式实现不平地面及复杂地形上的行走，又能以动态步行方式(步行过程任意时刻均少于三条腿同时处于支撑状态的步行方式)实现高速行走，在抢险救灾、排雷、探险、娱乐及军事等许多方面有很好的应用前景，其研制工作一直受到各国的重视。
二十世纪六十年代，机器人技术的研究进入了以机械和液压控制实现的发展阶段。美国的Shigley(1960)和Baldwin(1966)都使用凸轮连杆机构设计了机动的步行车，但由于技术水平限制，所设计的步行机效率低而且对地面的适应性差。典型的是1969年，美国的通用电气公司制造出一种机器马，它的四条腿由液压伺服马达系统驱动，安装在腿和脚上的位置传感器完成位置检测功能，马背的驾驶台上可以坐一个人，进行操纵，当操纵员的手、脚动作时，就把动作传到机器马身上，不过力量大了好多倍，使马的四条腿动作，它的行走速度比人快一倍，它的前足可以拿起200多千克的重物。它最初是为了在恶劣条件下，帮助步兵搬运东西而设计的。虽然整机操作比较费力，但实现了步行及爬越障碍的功能，被视为是现代步行机发展史上的一个里程碑。但从步态规划及控制的角度来说，这种要人跟随操纵的步行机并没有体现步行机器人的实质性意义，只能算作是人操作的机械移动装置。
随着电子技术发展，计算机的出现，机器人技术进入了全面发展的阶段。20世纪90年代初期，由英国研制出四条腿的机器人，它有点像矮脚马。它前后腿分别组成对，向前迈进就像颠驰;若是同侧前后腿组成对，动作就像溜蹄，它的行动很自由。
在国内，中科院沈阳自动化研究所、清华大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学、国防科技大学等单位和院校都先后开展了机器人技术的研究，并在多足步行机器人技术的发展上也取得了较大的成果，例如:我国上海于20世纪90年代制成四足步行千日年，它能在高低不平的地面行走，可上台阶、爬斜坡、越过障碍物。
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尽管四足机器人技术有了很大的发展，国内外均研究开发了很多原理样机或实验模型，但制约四足机器人技术进一步发展的基础理论问题并没有得到根本的解决。正如著名机器人学家Angeles教授所言:“步行机器人的理论研究步伐要远远落后于其技术开发的步伐”。现有的四足机器人的基础技术研究尚不够成熟和完善。
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第二章 四足机器狗的本体设计
2.1 概述
此处设计的机器狗为四足的，采用四足八关节的结构，结构比较简单，主要
实现前方探测功能，每只脚底均有一个光电传感器，能有效检测脚底环境的变化。机器狗的头部为一个舵机，携带光电反射式传感器，能探测前方的障碍物。本文主要任务是对机器狗的机械结构进行设计优化，并进行三维模型的建立及简单仿真，对步态规划及控制部分不作讨论。
2.2 选择主体结构的材料
机器狗的质量比较轻，对主体材料的强度要求不是太高，所以选择铝合金作为主体材料，因为铝合金具有价格便宜，质量轻，易加工等特点，这里选择6061的铝合金型材。铝合金型材基本上没什么国标非标之说，但是国家对建筑铝型材有专门的行业规范，主要对型材的厚度、材质等做出要求。每家铝合金型材生产企业所生产的产品基本上大同小异，只不过在具体的结构上有所出入。但是像比较通用的系列，例如国标50、868、90，这些基本上都一样。80系列、60系列指的是铝合金型材边框的宽度分别是80毫米、60毫米。
2.3 初定结构尺寸与质量
由于机器狗控制系统的部分尺寸大小在120mm*90mm左右，所以依据这个尺寸，可以先对每个零部件设置初始的尺寸，并且估算其质量，一共分为五部分组成。
2.3.1 控制部分
控制部分包括舵机驱动器电路板，如图所示，单片机与电路板（不包括电源，
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