四足行走机构说明书

2013届工程机械专业（机越一班）机械创新设计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The bionic quadruped walking robot mechanism researchABSTRACT Comparing with other four feet mammals, Horses have many advantages including the bigger body, the stronger and the vibranter limb bones, long distance walking, so the horses can walk flexibly on the bumpy ground, the sloping fields, the mountains and the steep cliffs. Therefore, the motion pattern of goats gait on the upslope and downslope were researched. According to the horse gait, the bionic horse sloping walking mechanism was designed in order to solve the sloping walking problems of the agricultural machinery, which will have far-reaching effects on the design of the bionic mechanism. Horses were used as research object in the topic, and the sloping walking gait style was studied.The kinematics equations with nonlinear characteristic of horse type four legs walking robot have not been universal solutions. It is difficult to resolving express of robot kinematics equations.A geometrical method which space geometry problem is turned to some plane geometry problem is researched.So trajectory plan of motion can be made directly by plane geometrical method and kinematics equations need not set up.Further more method of calculation For Each Join Tangle Is obtained.Computer simulation is researched for robot kinematics solutions and inverse solutions.Feasibility of the design method is verified by virtue of experiment.KEY WORDS: Horse quadruped walking mechanism, the structure of the legs, trajectory planning, three-dimensional modeling目录第1章61.1设计的目的61.2设计的意义61.3设计应达到的技术要求71.4简述本课题在国内（外）发展概况及存在的问题71.4.1国外仿生四足机器人71.4.2国内仿生四足机器人81.5本设计的指导思想91.6阐述本设计应解决的主要问题91.7本设计采用的研究（计算）手段方式方法101.8本设计的技术路线：11第2章122.1设计方案论证122.1.1行走机构的运动原理122.1.2方案设计122.2机构的创新点162.3四足行走机构稳定性分析172.4静态稳定性172.4.1静态稳定性的一般描述172.4.2重心偏移对静态稳定性的影响182.5四足机器人的步态规划182.5.1步态的概念182.5.2步态规划及时序分析192.5.3步态的稳定性分析202.5.4步态的选择212.6理论计算212.6.1动力学分析212.6.2足端轨迹分析221.6.3.水平电机和竖直电机运动方程的设计23第3章 结论及展望253.1 主要结论253.2未来展望25谢辞：26参考文献26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。2 图 1-1 四足步行机 图 1-2 KUNO-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（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 35 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。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1、 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。2、 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。3、 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。4、 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。1.8本设计的技术路线：机器人的四足行走机构资料的查阅、分析四足行走机构的运动原理的确定（动力学的初略分析 ）平面几何方法进行轮腿的运动轨迹和尺寸设计、关节角的大致计算（杆机构的运动曲线）获取摩擦力的方式选择、设计重心的前移方案、机构传动运动原理的选择单腿结构的分析及选择用CATIA画出机构的三维图形，尽量做出动画，后期设想仿真验证再次进行机构可行性、稳定性和动力学的分析，验证想法的可行性优化结构设计机构运行的反馈设计，对不平整地形做出对应反应 ，调节机构运动机构平稳行走计算检验、停止与运动的转换平稳性检验和适当地修改第2章2.1设计方案论证 2.1.1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。 2.1.2方案设计方案一：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2-1 mm AD70CE70AC280CF280FN30L250 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2-2 mm参数八连杆机构尺寸参数八连杆机构尺寸OC36mmAB31mmCF21mmHI16mmFG34mmIJ45mmFH57mmOC与OF夹角114EI57mmOF与CF夹角224BE14mmGF与HF夹角314CB25mmCB与EB夹角40OA10mmDA与BA夹角515AD32mmH I 与J I夹角60GD34mm 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、 O1O 2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。2.2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。2.3四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。2.4静态稳定性 2.4.1静态稳定性的一般描述 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。 2.4.2重心偏移对静态稳定性的影响 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17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。2.5四足机器人的步态规划2.5.1步态的概念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13l，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。2.5.2步态规划及时序分析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，而单独右前肢不能完全支撑重心，此刻为了使身体及时恢复平衡，左前肢和右后肢也迅速参与运动。这种以体力消耗最低，却使马持续耐久地运动而不疲劳的步态是一种经济步态。随着后肢肌肉收缩形成的伸屈运动，促使后肢踏出。而前肢为了减轻承受的压力和负重不得不迈步。以此方式，马不断反复地作向前迈步运动。在运动中，马为了保持步态的稳定性，大部分时间采取三条腿与地面接触，只是在交换腿运动时，出现短暂的两腿支撑，并且在运动过程中，躯体重心始终落于此三足不断组成的三角形区域内。 15 a 右前肢抬起悬空 b 左后肢抬起悬空 c 左前肢抬起悬空 d 右后肢抬起悬空 图2-52.5.3步态的稳定性分析（1）静态稳定性分析由于四足机器人的静态步态在低速行走时相对稳定性较好，具有负载能力大的特点，有更好的实用性，因此得到了广泛的研究和应用。四足机器人具有对称性，若以直线行走步态为研究对象，需作如下假设:(1)四足机器人向前行走时，四条腿是沿着两侧的两条平行线前进。(2)由于机器人腿部质量相对于躯干质量而言比较小，因此忽略迈腿过程中腿的移动引起机器人重心位置的改变。(3)四条腿的绝对跨距相等。(4)由于机器人的两边重量分布比较对称，因此在机器人躯干作前后调整的时候，近似的认为机器人的重心只在前后方向上移动。（2）结果分析机器人静态稳定的充分必要条件是：稳定裕度dmln0,但一般为了提高其稳定性,dmin越大越好。已知四足机器人在行走中的三个支撑足在平面内的投影点坐标A1(xl,yl)、A2(XZ,yZ)、A3(x3,y3)和重心在支撑面三角形内的投影坐标G(x4,y4),则可以求得G点到三边的最短距离,即稳定裕度。从迈腿过程稳定裕度的变化分析中可以看出，机器人的每条腿在动作开始或结束时都会有稳定裕度瞬间为0的时刻，此时机器人处于临界稳定状态，但是随着机体重心的前移，稳定裕度又变化为大于O，在运动过程中，能够保证机器人的重心在支撑足构成的三角形内，因此从整个步态周期来看，该机器人的运动是稳定的。2.5.4步态的选择仿生学中四足动物的步态多种多样，就仿马而言就有：行走步态、对角小跑步态、蹄蹓步态等，我们小组设计的四足行走机构根据中心要求，选择最为平稳地行走步态，在行走过程中，它有一条腿踏空，三条腿支撑，只要使整个装置的重心位于三条支撑腿构成的三角形形心附近，就可以保证整个机构在行走过程中的稳定性。行走步态：它是一条腿行走，三条腿协作。在我们小组的构思是，四腿的足端运动轨迹一样，只是周期的起始点不同，构成蹬地、抬腿、迈步、着地的动作，并且也可以腿的初始相距位置不同，以便构成支撑三角形的形状和位置，是三角形形心与装置重心跟接近。2.6理论计算2.6.1动力学分析有机构运动原理简图受力分析得： 图2-6 整体受力图可知內膝肘式的两力FR1和FR2在水平方向的分力可以相互抵消，只剩下竖直方向的支持力，支持机构的直立。与之相比外膝肘式的结构则，因为平行四边形易变形的特点而发生一定的弯曲。2.6.2足端轨迹分析机器人跨越段轨迹规划采用复合摆线轨迹规划法,该方法可以保证足运动轨迹连续平滑,以此保证运动的稳定性。建立如图2.3所示的坐标系,假定x轴方向为抬腿点与落地点连线的方向,y轴方向为竖直向上,原点取抬腿点。对跨越段轨迹的x轴和y轴方向分别进行规划,首先进行x轴方向规划。19 图2-7足端的运动轨迹19跨越段x轴方向上，足端的轨迹函数为 式中,S表示步长;T表示跨越段周期;t表示轨迹的采样时间。在控制系统中,S可按照障碍物实际情况进行设定,T可按照行走速度要求进行设定。根据x轴方向轨迹函数构造y轴方向的轨迹函数,将机器人足在y轴方向的运动过程分为抬腿和落腿两个等时间段的过程,因此,用分段函数表示：19式中,H表示跨高,且也可在控制系统中,根据障碍物实际情况进行设定。本小组设定两组基本尺寸： S1=210 mm,H1=160 mm（高步）；S2=210 mm,H2=50 mm（低步）。以高步为例，根据机构的足端水平位移和竖直位移，利用描点连线可以得到机构的足端的水平和竖直位移曲线运动轨迹图： 19 图2-8 足端的水平和竖直位移轨迹图191.6.3. 水平电机和竖直电机运动方程的设计 图2-9腿部运动周期表：设计（后腿）ABBCCA设计（前腿）ABBCCA水平（X方向）水平（X方向）竖直（y方向）竖直（y方向）周期时间00.75T0.75TT周期时间00.75T0.75T0.9T0.9TT步态蹬地抬腿着地步态蹬地抬腿着地得到单腿水平电机和竖直电机的位移时间方程：从而可以得到水平电机和竖直电机的位移曲线：由一条腿的水平电机和竖直电机的位移运动方程，根据步态的分析，周期性的变化，稳定性的条件，重心的位置与四腿的相对位置，可以求得四腿的水平电机和竖直电机的运动位移方程，从而可以求得电机的速度方程。第3章 结论及展望 3.1 主要结论 动物步态研究近年来成为人们结构仿生研究的热点，是其他学科领域研究的基础。动物步态研究的关键是对动物生理结构的研究。本课题对马其运动方式进行分析，并通过上网搜索马在平地的运动过程，对马行走时的运动步法及步态特点进行了分析，在此基础上设计仿真了仿马四足行走机构，对未来仿生机器人技术发展与应用有着重要理论意义。 本课题对马步态研究得出以下结论： 1通过上网搜索马在平地的运动过程，得到马在平面运动所需的试验数据，并对数据进行分析处理，得到：马在平地运动过程中，相应的周期步态特性参数及各腿腿部运动角度变化曲线和规律性。发现：平地上，马各腿的支撑状态（各腿的支撑时间及抬、落腿的先后顺序）和悬空状态各不相同，马的行走步态的变化主要是通过调整各腿的负荷因数和重心位置而实现的。 2基于马身体结构和步态运动方式，利用我们所学的机械原理等课程知识和仿马的结构，设计出双电机的仿马四足行走机构，利用autoCAD软件设计出机构运动原理简图，利用 CATIA 软件设计出机构的单腿三维图，并得到他的三视图等。 3.2未来展望1将 CATIA 软件建立的三维模型，导入到 ADAMS 软件环境下进行三维动态运动仿真，得到的虚拟条件下的运动学数据曲线，与试验数据曲线吻合，由此验证了虚拟样机模型的正确性。 2.由已知的四杆机构基本尺寸、足端运动轨迹及其水平、竖直位移曲线，会利用电脑软件程序算出机构各部分的运动轨迹，从而得到两电机的运动方程。3.由于时间的仓促，我们的结构还有很多不足的地方还没来得及优化，希望未来我们有机会优化并实现我们机构。通过对各个参数进行精确的计算，得到准确的结论。谢辞：本论文是在李军老师和方轶琉老师的精心指导下完成的