第六章 仿动物步行的机械机器设计

1BEIJINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY第三篇仿生机械设计与分析BEIJINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY第六章仿动物步行的机械及设计

第六章仿动物步行的机械及其设计4第六章仿动物步行的机械及设计第一节步行机械概述一、步行机械的优点1、适应复杂路面运动第一节步行机械概述2、足式运动的身体与腿部运动可以解耦，稳定性好。3、能耗小崎岖坚硬路面速度松软地面（25.4cm深度）推进功率轮式车辆5

8km/h

轮式车辆11.3kw/t履带车辆8

16km/h

履带车辆7.46kw/t足式运动可达56km/h

足式运动5.22kw/t轮式、履带式车辆与足式运动对比5第六章仿动物步行的机械及设计第一节步行机械概述二、步行机械的分类与研究内容1、步行机械的分类（1）按照步行方式分类两足步行机械按步行足数分类四足步行机械多足步行机械六足步行机械（2）按步行足的多少分类走行机械爬行机械按步行方式分类八足步行机械6第六章仿动物步行的机械及设计第一节步行机械概述2、步行机械的研究内容（1）模仿动物结构，研究步行机械腿的结构、原理等，设计仿生机械腿（2）研究行走步态，进行各腿的运动协调设计与控制。（3）研究行走稳定性。（4）研究行走的转向与控制手段。（5）研究仿生机械的动力分配与传递。（6）研究仿生机械的感知新系统。（7）研究仿生机械的仿生外形。7第六章仿动物步行的机械及设计第二节步行机械的腿及其设计步行机械腿分为闭链连杆型和开链连杆型机械腿一、闭链连杆型腿的结构第二节步行机械的腿及其设计1、四杆机构腿机构

四杆机构腿结构简单，刚度好。动作可靠，因而应用广泛。

四杆机构腿可直接按照足端运动轨迹曲线设计。8第六章仿动物步行的机械及设计图示的二足步行机械腿机构中，大腿机构为四杆机构、小腿机构也为四杆机构。但驱动方式是液压驱动。第二节步行机械的腿及其设计9第六章仿动物步行的机械及设计2、多杆机构腿在四杆机构的基础上，运用机构组合原理，组成一个多杆系统的机构腿，能比较准确地实现运动轨迹，但设计要复杂些。图示的二足步行机械腿机构中，小腿机构为曲柄摇块机构ABC，再连接表示大腿的级杆组EF,组成一个六杆机构的步行机械腿机构。（1）四杆机构加杆组

第二节步行机械的腿及其设计10第六章仿动物步行的机械及设计图示复杂的四足步行机构中，四杆机构ABCD和四杆机构ABGD为并联机构系统，两个输出构件CD和DG被一个级杆组EFG封闭连接，可得到H点的理想运动轨迹。

该机构自由度计算如下：（2）四杆机构的并联组合第二节步行机械的腿及其设计11第六章仿动物步行的机械及设计（3）五杆机构ABCFG加DE构件约束，形成单自由度的机构,可得到理想步行曲线。图示机构也可以看作在四杆机构GFDE的基础上连接杆组ABC,但这样组合创新思路不明确。H该机构自由度计算如下：第二节步行机械的腿及其设计12第六章仿动物步行的机械及设计（3）由级机构组成的步行机械腿级机构结构复杂，但有良好的连杆曲线作为足端运动轨迹。ABC为级杆组的内接副，O1O2D为外接副，连接原动件O3D，组成级机构。该机构的E点可形成理想的走行曲线。该机构自由度计算如下：第二节步行机械的腿及其设计13第六章仿动物步行的机械及设计（3）由级机构组成的步行机械腿级机构结构复杂，但有良好的连杆曲线作为足端运动轨迹。O1ABO2CDO3为级机构，再连接一个级杆组DFG,P点可形成理想的步行曲线。该机构的E点可形成理想的走行曲线。该机构自由度计算如下：第二节步行机械的腿及其设计第六章仿动物步行的机械及设计（4）复杂的多杆腿机构该机构自由度计算如下：组成分析：五杆机构ABCDE和AFGDE本来各有2个自由度，但是他们有共同的输入和输出构件，使其自由度为1，在巧妙连接一个自由度为零的级杆组HIJ，足端K可产生特殊的运动轨迹。CBADEGFHIJK第二节步行机械的腿及其设计15第六章仿动物步行的机械及设计二、关节关节是两个构件之间的可动连接，可以是运动副型关节，也可以是连杆机构型关节。1、连杆机构关节:两构件之间靠机构相对

运动实现2、运动副关节：

一般为转动副第二节步行机械的腿及其设计16第六章仿动物步行的机械及设计昆虫腿也可以简化为运动副关节（踝关节）第二节步行机械的腿及其设计17第六章仿动物步行的机械及设计3、复合关节：

关节的运动由转动副和连杆机构共同实现。图示六足蜘蛛的腿关节是复杂的复合关节，该机械腿也是变胞机构。第二节步行机械的腿及其设计18第六章仿动物步行的机械及设计三、关节驱动器关节驱动主要有电动机完成，常见关节单机驱动如下：直接驱动直流伺服电机驱动关节驱动同步交流伺服电机驱动步进电机驱动第二节步行机械的腿及其设计19第六章仿动物步行的机械及设计第三节步行机械的步态分析一、两足步行动物的腿部结构1、人类腿部结构：小腿向后弯曲小腿向前弯曲，不能坐躺等。第三节步行机械的步态分析身体2、鸟类腿部结构：小腿向前弯曲有利于起飞蹬踏。身体20第六章仿动物步行的机械及设计二、两足步行动物的步态分析人在正常行走时，两腿交替迈步，分为落地相和抬腿相。单腿抬腿迈步相约占40%，落地支撑相约占40%，双腿支撑相共占20%。每条腿的落地时间为60%，抬腿迈步时间约为40%。右腿左腿第三节步行机械的步态分析21第六章仿动物步行的机械及设计鸟类也是两足步行动物，走路动作与人类有相同点，如双脚前后交替运动，走路时身体左右摇摆等；但与人类走路动作却有很大的差别。如走步时，为了保持身体的平衡，需要头和脚互相配合运动。一般是：当一只脚抬起时，头开始向后收；抬起的那只脚朝前至中间位置时，头收到最后面；当脚向前落地时，头也随之朝前伸到顶点。第三节步行机械的步态分析22第六章仿动物步行的机械及设计三、四足步行动物的步态分析侧对步态：单侧前后腿抬起或着地正常步态：一腿抬起，三腿着地四足动物步态斜对步态：对角线两腿着地或抬起落地离地测对步态斜对步态正常步态不同的运动状态，步态也不相同。如马在奔跑时，可单腿着地、腾空、两腿着地、三腿着地等多种运动状态。第三节步行机械的步态分析23第六章仿动物步行的机械及设计四足步行动物在斜对步态的运动循环如下：四足步行动物在正常行走时，先迈左前腿；然后，右后腿；左后腿；右前腿。0431256第三节步行机械的步态分析第六章仿动物步行的机械及设计四、四足步行机理与分析四足步行动物运动形式相近，四肢的交替运动与身体位姿变化相互协调，不仅省力，而且保持身体的稳定性。图示，牛在站立时，质心如图a所示。两前腿支撑体重的58%,两后腿为42%。L为同侧前后腿之间距离fedcba若提起一条后腿，无论左右后腿，质心位置不变，在稳定三角形内。如图b、c。LF：左前腿RF：右前腿LH：左后腿RH：右后腿实际质心位置初始质心位置落地相抬腿相第三节步行机械的步态分析第六章仿动物步行的机械及设计L为同侧前后腿之间距离fedcbaLF：左前腿RF：右前腿LH：左后腿RH：右后腿实际质心位置初始质心位置落地相抬腿相牛若抬头，质心位置后移，如图d所示，此时前腿承重减少。牛若偏左抬头，质心位置左后移，如图e所示，此时迈右前腿。牛若偏右抬头，质心位置右后移，如图f所示，此时迈左前腿。同理，牛若低头，质心位置前移，此时迈动后腿。第三节步行机械的步态分析26第六章仿动物步行的机械及设计四足步行动物在行走过程中，其头部随着步态变化进行上下摆动。四足步行动物在行走过程中，其头部随着步态变化进行上下摆动。图示为四足步行动物行走相位图。LF：左前腿RF：右前腿LH：左后腿RH：右后腿第三节步行机械的步态分析27第六章仿动物步行的机械及设计图示的牛在行走时，当后腿抬起时，同侧前腿紧接着抬起，后腿落脚点临近前腿脚印，有时超前，有时落后，但不会仿生碰撞。四足动物在行走时，四条腿的交替运动与身体扭动相配合，不会发生干涉，完全取决于大脑的控制系统。四足仿生机器人的运动可靠性也取决于计算机控制系统。第三节步行机械的步态分析28第六章仿动物步行的机械及设计图示为六足步行动物的步态分布六足步行机器人的步态是多样的，其中三角步态是典型步态，“六足纲”昆虫步行时，一般不是六足同时直线前进，而是将三对足分成两组，以三角形支架结构交替前行。第三节步行机械的步态分析29第六章仿动物步行的机械及设计五、步行机械设计案例图示机构为一新型步行机器人的腿，H点可完成理想的足端运动轨迹。该机构可以组装成两足步行机器人，四足步行机器人，六足步行机器人和多足步行机器人。通过调整机构尺寸，可变换足端运动轨迹。两个四杆机构ABCD、ABGD共用一个主动件AB,两个摆杆CD、DG被一个级杆组EFG封闭连接，H点轨迹可作足端曲线。第三节步行机械的步态分析30第六章仿动物步行的机械及设计该连杆型步行机机器人腿机构看起来复杂，实际上组成原理简单。两个相同机构反向链接，可组成两足步行机器人的腿机构。而且能保证一条腿抬起前，另一条腿已经落地，保证行走的稳定性。第三节步行机械的步态分析31第六章仿动物步行的机械及设计第四节步行机械系统的运动方程主要怕介绍几个经常用到的仿生步行机械系统的方程：1、足端运动轨迹方程：步行机构设计的重要依据。2、步行系统的动力学方程：考虑质量、转动惯量等因素的运动方程，求解关节驱动力矩。3、机械系统质心运动方程：系统运动稳定的依据。以下分别介绍。第四节仿生步行机械系统的运动方程32第六章仿动物步行的机械及设计第四节步行机械系统的运动方程一、足端运动轨迹方程不同的仿生机器人有不同的足端运动轨迹，足端轨迹方程是机械腿设计的重要依据。图示4自由度的仿生机器人中，单腿可简化为3自由度的开链机构；3自由度开链机构足端C的轨迹方程可以描述为：第六章仿动物步行的机械及设计第四节步行机械系统的运动方程角度

为小腿与足底法线之间夹角；则上式改为：上述方程中共有6个未知数，，但在仿生机械设计中，构件尺寸往往参照待模仿动物腿部尺寸，故未知数仅有3个角度参数。由路面决定34第六章仿动物步行的机械及设计二、步行机械系统的动力学方程此处的动力学方程是指考虑到构件质量、转动惯量等因素，求解关节驱动力矩。步行机器人的腿的运动是多自由度的非线性运动，动力学方程复杂，应用拉格朗日是常用方法。为简化方程，此处忽略腿的侧摆运动，仅考虑一个前进方向的运动。（a）（b）（c）图示两足步行机械腿机构中，抬腿相与落地相受力不同，建立动力学方程也不相同。第四节步行机械系统的运动方程35第六章仿动物步行的机械及设计1、落地相的腿可参照倒立摆的动力学方程第四节步行机械系统的运动方程大腿、小腿和脚相当于3个构件，各构件尺寸、质心以及绕质心的转动惯量已知。拉格朗日方程一般形式为

36第六章仿动物步行的机械及设计1、落地相的腿可参照倒立摆的动力学方程拉格朗日方程一般形式为其中：E:机构系统动能

U:机构系统势能L：拉格朗日常数落地相机械腿机构的动能为：落地相机械腿机构的势能为：第四节步行机械系统的运动方程

37第六章仿动物步行的机械及设计第四节步行机械系统的运动方程

（1）（2）（3）

38第六章仿动物步行的机械及设计2、抬腿相的动力学方程点

抬腿相可按照悬空摆列出动力学方程第四节步行机械系统的运动方程

39第六章仿动物步行的机械及设计图示四足步行机械的各构件质心及其尺寸如图，设总质心在C点。步行机械在运动中，其头、颈、躯体、四肢等质心都是变化的，总质心也是变化的。第四节步行机械系统的运动方程三、步行机械质心运动方程由工程力学可知，总质心位置为：直角坐标方程为40第六章仿动物步行的机械及设计

第四节步行机械系统的运动方程41第六章仿动物步行的机械及设计第四节步行机械系统的运动方程设坐标系选在身体质心处，则有：

42第六章仿动物步行的机械及设计第四节步行机械系统的运动方程大腿质心坐标为：小腿质心坐标为：zxy43第六章仿动物步行的机械及设计四条腿的质心坐标写成一般形式第四节步行机械系统的运动方程大腿质心坐标方程为小腿质心坐标方程

44第六章仿动物步行的机械及设计第四节步行机械系统的运动方程设头颈上下摆动角度为δ，左右摆动角度为θ，颈部关节为B。头颈坐标为：45第六章仿动物步行的机械及设计第五节仿生跳跃机械的设计与分析第五节仿生跳跃机械的设计与分析仿生跳跃机械是步行机械的特例，例如，青蛙、蝗虫、袋鼠等都是可以跳跃的动物，其特点是后肢发达。只有袋鼠是靠跳跃行走的，本章介绍仿袋鼠机构。一、袋鼠的跳跃性能袋鼠后肢发达有力，前肢短小。跳跃高度可达4米。距离可达13米。速度可达50km/h静止落地跳跃一、袋鼠的跳跃性能46第六章仿动物步行的机械及设计第五节仿生跳跃机械的