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四足行走机构说明书
RevisedonNovember25,2020
四足行走机构说明书
机械创新设计课程设计
2014-2015第2学期
姓名：
何燕飞、郑义、陈斌、周鹏、陈海云
班级：
机越一班
指导教师：
李军方轶琉
成绩：
日期：
2015年6月4日
仿生四足行走机器人行走机构的研究
摘要
马相对于其它四足哺乳动物来说，躯体较大，四肢骨骼坚实有力，其运行步态稳健轻快，能在地面、坡地和凸凹不平的地表上自由灵活的快速行走，且可远距离行走。
因此，本课题研究了马在平地的步态运动方式，根据马步态设计的仿马四足行走机构为解决：
在凹凸不平的路况上抢险救灾物资和装备的运输问题上将产生深远的影响。
本课题以马为研究对象，对其有障碍路况行走步态方式进行了研究。
马型四足行走机器人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,给出各个关节角给定量的计算方法。
本课题在分析总结了马的生理特性、运动步法和步态特点的基础上，从结构仿生角度出发，研究了行走机构的设计方案、运动原理、运动特点，确定了仿马四足行走机构，并应用CATIA软件建立了单腿和整机的三维模型。
关键词:
马型四足行走机构、腿部结构、运动轨迹规划、三维建模
Thebionicquadrupedwalkingrobotmechanismresearch
ABSTRACT
Comparingwithotherfourfeetmammals,Horseshavemanyadvantagesincludingthebiggerbody,thestrongerandthevibranterlimbbones,longdistancewalking,sothehorsescanwalkflexiblyonthebumpyground,theslopingfields,themountainsandthesteepcliffs.Therefore,themotionpatternofgoatsgaitontheupslopeanddownslopewereresearched.Accordingtothehorsegait,thebionichorseslopingwalkingmechanismwasdesignedinordertosolvetheslopingwalkingproblemsoftheagriculturalmachinery,whichwillhavefar-reachingeffectsonthedesignofthebionicmechanism.
Horseswereusedasresearchobjectinthetopic,andtheslopingwalkinggaitstylewaskinematicsequationswithnonlinearcharacteristicofhorsetypefourlegswalkingrobothavenotbeenuniversalsolutions.ItisdifficulttoresolvingexpressofrobotkinematicsgeometricalmethodwhichspacegeometryproblemisturnedtosomeplanegeometryproblemistrajectoryplanofmotioncanbemadedirectlybyplanegeometricalmethodandkinematicsequationsneednotsetmoremethodofcalculationForEachJoinTangleIssimulationisresearchedforrobotkinematicssolutionsandinverseofthedesignmethodisverifiedbyvirtueofexperiment.
KEYWORDS:
Horsequadrupedwalkingmechanism,thestructureofthelegs,trajectoryplanning,three-dimensionalmodeling
第1章
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。
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能，可在地球上近一半的地面行走自如[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。
简述本课题在国内（外）发展概况及存在的问题
1968年美国Mosher研发的“WalkingTruck”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。
[2]
图1-1四足步行机图1-2KUNO-I机器人
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（BoronDynamics）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1-3Bigdog四足机器人图1-4Warp1四足机器人
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着的成果。
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。
[15]
图1-5QW-I型四足机器人图1-6“4+2”多足步行机器人
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。
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。
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。
本设计的技术路线：
第2章
设计方案论证
行走机构的运动原理
根据马的平地运动特性和其自身结构特点，从机械结构设计考虑，以滑块、连杆和四杆机构为原理，确定两个滑块平行四边形机构作为仿马四足行走机构的基础，且由电机带动滑块移动从而带动整个机构实现平稳行走功能。
方案一：
因此根据滑块和连杆机构原理，确定了两个四连杆机构作为仿马四足行走机构。
图2-1前后腿机构运动原理示意图
图2-2机构三维图
单腿机构的三维图，主要通过两个电动机的水平和竖直运动带动步行足向前移动
表2-1mm
AD
70
CE
70
AC
280
CF
280
FN
30
L2
50
特点：
1.腿部关节主要包括髋关节、膝关节、踝关节、足趾关节，促使具有良好的支撑性能。
2.髋关节、膝关节、踝关节沿马身纵向平面内摆动,可以实现腿部跨越以及马身的重心前移。
3.足趾关节为被动关节,可以在马腿落地时有效地起到缓冲作用。
4.有两个平行四边形机构，有较好的稳定性，能够平稳地在凹凸不平的路况上行走
5.耐磨损，承载能力较大；
6.构件的形状简单，加工制造容易且精度高；7.运动形式多样，且传递运动的距离较远。
方案二：
依照四杆机构和其他多杆机构，建立八连杆机构模型并对其进行分析。
由于腿部机构的设计是无法完全满足实际所有条件，因此根据曲柄连杆机构原理，确定了八连杆机构作为仿山羊坡地行走机构的单腿机构（图2-2），主要通过曲柄的旋转运动带动步行足向前移动。
其中八连杆单腿腿部机构尺寸见表2-2。
[15]
图2-3
表2-2mm
参数
八连杆机构尺寸
参数
八连杆机构尺寸
OC
36mm
AB
31mm
CF
21mm
HI
16mm
FG
34mm
IJ
45mm
FH
57mm
OC与OF夹角θ1
14°
EI
57mm
OF与CF夹角θ2
24°
BE
14mm
GF与HF夹角θ3
14°
CB
25mm
CB与EB夹角θ4
0°
OA
10mm
DA与BA夹角θ5
15°
AD
32mm
HI与JI夹角θ6
0°
GD
34mm
特点：
1.该机构应用了多重四杆机构，有8个杆件，运动规律复杂，可达到仿生目的。
2.由于各杆件装配过于复杂，组合运动不易达到圆滑，容易出现死点、不受控制等错误以及各杆件的相互摩擦碰撞，难以实现已设定的运动轨迹。
方案三：
从仿生学的角度出发，将行走机构称为“腿”。
腿的设计采用六杆闭链机构，即曲柄摇杆机构去控制大小腿实现运动。
给定腿的足端的运动轨迹，然后对驱动机构和行走机构的结合点处的轨迹进行拟合，并用优化法确定各杆的尺寸，这样就完成了单条腿的设计。
根据对称原则，四条腿选择同样的设计。
如图2-3所示，将单条腿分解为驱动机构和腿机构两部分。
其中，驱动机构为AB、BO2、O1O2和AO1组成的四杆组，腿行走机构为BC和CE组成的二杆组。
O1点和O2点和O3为固定支点。
[3]
图2-4
特点：
该机构应用了曲柄摇杆机构，曲柄AO1为原动件时，BO2为遥杆机构可做往复运动，B点可得到设想的运动轨迹。
该机构自由度为1，结构简单，运动规律单一，可是整个机构达到运动爬行的目的。
综上三种方案，相较于第二种方案的复杂和第三种方案的过于简单，第一种方案使马型四足行走机器人更加平稳，且其可乘载负荷更重，更使用了平行四边形四杆机构、阻尼压缩杆和组合电机联合运用的特点，更令机器人可行性提升。
所以，我们小组选择使用第一种方案。
机构的创新点
根据以上的机构运动原理示意图和三维结构图，不难发现本机构设计有以下的创新点：
1.本结构的一条腿有两个电机做为原动件，可以组合变化，具有较好的灵活设计性，可以利用组合变化得到不同的步态。
2.平行四边形结构在重心前移和行走过程中，机箱和货物的重心的水平高度不发生变化，极大可能地保障了机箱的平稳性。
3.本结构有两个平行四边形连杆机构组成，一个作为主动件，带动机构的行走运动，另一个在接触地面时起缓冲减震和反馈地面路况，迫使机构做出相应动作，从而达到平稳行走的目的。
4.内膝肘式四腿设计可以平衡水平方向的力，地面经提供竖直方向的支持力，可以避免机构因水平受力不均匀而引起的震荡。
5.小腿靠近脚掌一部分设计为阻尼压缩杆，可以起到平稳减震的效果。
6.脚掌部分由软组织材料构成，在凹凸不平的路况上可以起到减震缓冲的效果。
7.由转动副连接而成的连杆机构之间是面接触，这种连杆机构能够实现特定种运动规律和运动轨迹曲线。
8.在动力学分析时，有两个平行四边形机构它们相互约束，改变了平行四边形部分易变形的特征，可以承受一定的重量。
9.该四足行走机构高度小于700mm，腿的重心较低，即使受机箱重量的影响，整个结构也有较低的重心，不易失稳，有助于稳定性的提高。
四足行走机构稳定性分析
近年来，移动机器人中轮式和履带式移动方式已获得广泛应用。
但相比较而言，足式机器人具有轮式和履带式机器人所没有的优点，它可以相对较易地跨过比较大的障碍，并且机器人的足所具有的大量的自由度可以使机器人的运动更加灵活，对凹凸不平的地形的适应能力更强。
其中四足步行机器人由于其比二足步行机器人承载能力强、稳定性好，同时又比六足、八足步行机器人的结构简单，更加受到各国研究人员的重视，已成为机器人学中一个引人注目的研究领域。
步态是研究步行机器人的一个很重要的参数，步态规划的好坏直接影响到机器人步行过程中的平稳性、关节所需驱动转矩的大小等因素。
常用的步态生成方法有：
Mechee提出的根据静态稳定裕度分析的直线螃蟹步态生成方法，Hirose等提出的利用对角线原理的步态搜索方法，Song等提出的曲线路径的步态生成方法以及基于静态平衡的步态生成方法。
本文介绍和分析步行机器人的静态稳定性，根据机器人在步行过程中重心产生的偏移量对静态稳定性的影响，对原有的基于静态平衡的机器人步态生成方法作了一定程度的改进，并绘制了时序图使读者能够更加直观地了解到机器人的整个移动过程。
静态稳定性
四足步行机器人在行走的时候，机体相对地面始终作向前运动，重心始终在移动。
四条腿轮流抬跨，相对机体也作向前运动，不断改变立足点位置，只要机器人重心的垂直投影始终被它交替变化的立足点所组成的三角形所包围，则机器人是静态稳定的。
机体的运动和腿相对机体的运动必须在任何时刻保证协调一致，才能使机器人重心的垂直投影始终落在三足支撑点构成的三角形区域内，实现稳定行走。
在实际情况中，机器人的重心并不是时刻都保持在机器人的几何中心处，所以要考虑重心偏移对静态稳定性所造成的影响。
当初始步态时，机器人的重心偏移处在极限位置，计算此时的影响即可。
已知4个足趾相对躯体的位置，可先求出各腿的重心偏移，然后再由如下公式：
即可求出重心的偏移量!
，其中：
为腿重心相对机身坐标系原点的偏移；m1为腿的质量；m为机身的质量。
由于机器人的腿部结构一般都采用平面连杆机构且使用相同的材料制成，可以把它们看作是均质等截面的细线，忽略驱动关节的质量和长度，利用工程力学中求重心的组合法来求得机器人腿部重心在机身坐标系中的坐标，公式如下：
式中：
分别为腿部各连杆的长度；
分别为腿部各连杆重心在机身坐标系中的坐标。
可得出机器人一条腿的重心在机身坐标系中的坐标
。
再根据公式：
便可求出
。
可得出结论：
的值越小，则重心偏移就越小。
要使
的值减小，则应使腿根部的质量大，足趾处的质量小，即可使腿摆动对重心的影响较小。
同样，减小m1的值，也可使重心的偏移减小。
实际上重心的偏移主要由m1的质量引起。
一般来说，在自然界的四足动物中，躯体的质量远大于腿的质量。
但是对机器人来说，各腿的质量和躯体质量几乎相等，所以重心偏移较大，进而对静态稳定性影响较大。
运用上述式子，可以得出重心的偏移程度，和避免重心偏移的方法。
我们小组设计的机构腿主要有连杆机构构成，其重量小于机箱的重量，减轻了重心的偏移。
而且我们的四足行走机构尺寸小于700mm，可以降低重心，促进平稳行走。
四足机器人的步态规划
步态是指在运动过程中，步行者（人、动物或机器）的肢体在时间和空间上的一种协调关系，是移动腿有规律的重复顺序和方式，也就是指步行机器人各腿动作顺序和方式的规律，正是由于这一运动过程实现了机器人的步行运动。
步态是研究步行机构的一个非常重要的参数，是确保步行机构稳定运行的重要因素。
四足步行机器人的步行运动由两种步态方式，静态步态和动态步态。
静态步态是指机器人在步行过程中始终满足静力学条件，即机器人重心始终落在支持地面几只脚所围成的多边形内。
动态步态是机器人在行走过程中重心有时会落在支持地面几只脚所围成的多边形外的运动步态，动态步态正是利用这种重心超出多边形面积外而向前产生倾倒的分力作为步行的动力。
当前对四足步行机器人步态的研究还主要集中在对静态步态的研究，然而，多足机器人之所以存在很好的应用价值，就在于它能适应非结构环境，可以在崎岖的路面上行走，这是它优于履带式和轮式移动机器人的关键之处。
因此，怎样设计多足移动机器人的腿脚能适应复杂地面环境的运动才是步态生成与控制的目标13’l，目前众多研究人员仍在为此目标而努力研究，我们现在的研究目标也是：
研究在凹凸不平的路况下可以跨越障碍平稳地行走。
步态规划是步行机器人研究必不可少的内容，对于机构的运动特性及动力特性都有直接的影响。
目前，大多数学者公认的步态分类方法是根据占空系数p的取值范围来分类，通常情况下，占空系数日越小，机器人的运动速度越快。
移动步行机器人步态描述的相关参数有:
支撑相:
步行机器人腿部着地的状态。
摆动相:
步行机器人腿由地面抬起，腿部处于空中的状态。
步态具有一定的周期性：
本小组选取马的某一周期进行步态运动状况研究，得出马通用的一个正常步态周期内的抬腿顺序：
左前肢—右后肢—右前肢—左后肢或右前肢—左后肢—左前肢—右后肢，马行走时的抬腿顺序（如图2-4所示：
其中a、b、c、d图分别表示右前肢抬起悬空、左后肢抬起悬空、左前肢抬起悬空和右后肢抬起悬空）。
马躯体的前进运动实质上是其重心的不断移动。
当马起步时，头部略低前伸，身体前倾，使后肢蹬地产生的驱动力沿脊椎传传导至前方，重心逐渐移至前肢。
当前肢前伸迈步时，对角线后肢产生的驱动力则正对着前进方向，例如，左后肢蹬地产生的反作用力沿脊椎传至前方，促使躯体前倾，重心前移，同时脊椎产生的振动力转化为肩胛骨上的压力，这种压力传至与肩胛骨相连的右前肢，致使右前肢必须前伸迈步来承受重量，而单独右
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