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导读

移动机器人，是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多功能于一体的综合系统。从移动形式上来看有着多种多样的形式，比如轮式移动机器人、步行移动机器人(单腿式、双腿式和多腿式)、履带式移动机器人、爬行机器人、蠕动式机器人和游动式机器人等多种类型。在本文中，作者从单足、双足、四足，再到六足，详细的解析了步行机器人的结构及实现原理。

01

单足移动机器人

当前，移动机器人的应用范围日益广泛，甚至已经深入至很多“特殊”领域，比如考古探测、星际探索、军事侦察和反恐行动等。足式移动机器人能够适应凸凹不平的地面环境，比其它移动机器人的应用更加普遍，但是遇到障碍物时，普通的足式机器人就无能为力了，必须将机器人做成弹跳式。弹跳机器人可以轻松越过障碍物，特别适用于未知、崎岖地形，在星际探索、反恐等方面有着不可替代的作用。-单足弹跳式移动机器人弹跳机构设计弹跳机构弹跳机器人的研究灵感来源于动物，比如青蛙的跳跃运动就是一个很好的参照模仿对象。青蛙的前脚比后脚短而细，它们不怎么走动或爬行，经常通过跳跃来移动。青蛙跳跃之前由前脚的移动来调整姿态，通过后腿发达的肌肉产生跳跃的能量。根据这样的启示，可以设计出弹跳模型如下图所示。下图为弹跳腿原理图。机构的方向齿轮相当于青蛙的前脚，通过和底部齿盘的配合以调整机器人姿态。机构中弹簧代表用来储能和释放能量的弹性装置。平衡机构弹跳机器人在弹跳过程中很可能“摔倒”，必须为机器人添加平衡设计，以保证弹跳能够持续进行。机构的平衡方式有很多种，最简单的方法是降低机构重心，为降低机器人重心，可以减小单足弹跳机器人的高度或者在机器人底部添加重块，也可以将机器人底部设计成类似于不倒翁的圆形支撑足，这样就能使机器人在弹跳或者落地后修正姿态，保持平衡，准备下一次弹跳。单足弹跳式机器人如图为单足式弹跳式机器人弹跳过程示意图，中间弹性装置连接机器人上、下两部分结构，底部结构装有起着平衡稳定作用的质量块。跳起前弹性装置处于“放松”状态，当启动驱动机构时，弹性装置收紧并锁定，然后释放，在弹性体的作用下整个机构跳起，在重力作用下机构还会落回地面，落地后由于质量块的的平衡使机构保持稳定，准备再次跳起。

02

双足移动机器人

双足步行是步行方式中自动化程度最高、最为复杂的动态系统。双足步行系统具有非常丰富的动力学特性，对步行的环境要求很低，既能在平地上行走，也能在非结构性的复杂地面上行走，对环境有很好的适应性。-双足步行机器人运动分析双足步行机器人的机构是所有部件的载体，也是设计两足步行机器人最基本的和首要的工作。它必须能够实现机器人的前后左右以及爬斜坡和上楼梯等的基本功能，因此自由度的配置必须合理。首先分析一下步行机器人的运动过程(前向)和行走步骤：重心右移(先右腿支撑)、左腿抬起、左腿放下、重心移到双腿中间、重心左移、右腿抬起、右腿放下、重心移到双腿间，共分8个阶段。从以上机器人步行过程可以看出:机器人向前迈步时，髓关节与踝关节必须各自配置有一个俯仰自由度以配合实现支撑腿和上躯体的移动，要实现重心转移，髋关节和踝关节的偏转自由度是必不可少的，如图为三个自由度机器人运动简图，它的运动模型是平面的，没有侧向运动，不能保持动态平衡，属于完全动态机器人，只能在斜坡上行走。机器人要达到目标位置，有时必须进行转弯，所以需要有髋关节上的转体自由度。在三个自由度的基础上再添加一个转体(roll)自由度，如图为四个自由度步行机器人运动示意图，它的运动模型也是平面的，也没有侧向运动，它只可以在水平面上沿直线行走几步，然后就会因为摆动腿着地时冲击过大而跌倒。要想使机器人能够侧向运动，需要在髋关节和膝关节分别再添加一个前向自由度和侧向旋转自由度，它的侧面运动是一个倒立摆动模型，侧向关节使它在行走时保持侧向平衡。这种机器人可以在水平地面和斜坡上行走。如图为八个自由度步行机器人行走示意图。如果在膝关节处配置一个俯仰自由度以调整摆动腿的着地高度，使机器人能够上下台阶，实现不同的步态。这样在膝关节再加上2个——俯仰(pitch)和偏转(yaw)自由度，每条腿变成6个自由度，两条腿共12个自由度。髋关节、膝关节和踝关节的俯仰自由度共同协调动作可完成机器人的在纵向平面(前进方向)内的直线行走功能；髋关节的转体自由度可实现机器人的转弯功能；髋关节和踝关节的偏转自由度协调动作可实现在横向平面内的重心转移功能。如图为12自由度步行机器人运动示意图。选取自由度为12的步行机器人，其自由度具体配置如下图所示。-双足步行机器人行走机构设计双足步行是步行方式中自动化程度最高、最为复杂的动态系统。双足步行系统具有非常丰富的动力学特性，对步行的环境要求很低，既能在平地上行走，也能在非结构性的复杂地面上行走，对环境有很好的适应性。与其它足式机器人相比，双足机器人具有支撑面积小，支撑面的形状随时间变化较大，质心的相对位置高的特点。虽然双足式步行机器人步态是足式机器人中最复杂、控制难度最大的动态系统。但由于双足机器人比其它足式机器人具有更高的灵活性，因此具有自身独特的优势，更适合在人类的生活或工作环境中与人类协同工作，而不需要专门为其对这些环境进行大规模改造。例如代替危险作业环境(如核电站内)的工作人员，在不平整地面上搬运货物等等。此外将来社会环境的变化使得双足机器人在护理老人、康复医学以及一般家务处理等方面也有很大的潜力。行走机构是足式机器人的关键技术，由于步行运动中普遍存在结构对称性，所以要求设计双足机器人的腿部机构必须是对称的，为保证传动精度和效率，在设计双足机器人腿部机构时，要求其关节轴系的结构必须紧凑，并且必须保证提供必要的输出力矩和输出速度，以满足机构动态步行运动速度和承载能力。本文介绍一种双足机器人实现直线行走、静态转弯及上下楼梯运动的腿部结构设计，为使双足机器人达到设计目标，“腿部关节”必须满足以下要求：

前向转动关节：

关节轴线位于侧向平面内，可以使机器人在前向平面内运动；

左右侧摆关节：

关节轴线位于前向平面内，可以使机器人在侧向平面内运动；

转弯关节：

轴线为铅垂线，可以使机器人做左右转弯动作。如图为机器人行走方向示意图，机器人可以完成前进、后退、平地侧行、转弯、爬斜坡和跨越障碍运动。要使机器人满足以上运动要求，腿部机构必须要有12个自由度，如图为双足机器人的腿部自由度的配置。髋关节处要有3个自由度，分别可以实现前向、侧向和转弯动作；膝关节处只有一个自由度，完成前向运动；踝关节处有两个自由度，实现前向和侧向动作。腿部自由度配置为减小机器人体积、减轻重量，并保证一定强度，整个行走机构采用1mm的铝合金钣金框架结构，框架具体的设计要有效利用RC伺服电机的尺寸大小（机器人的各关节采用RC伺服电机驱动），使电机的活动范围尽量符合各关节的活动范围。如图为双足步行机器人腿部结构。腿部底端两个宽大的“脚掌”可以增加机器人的稳定性，但也不宜过大，否则会影响其灵活性。

03

四足移动机器人

四足机器人是具有实现静态步行的最少腿数，也适合于动态步行，实现高速移动，因此，对四足步行机器人的研究，具有特殊的重要性。-四足移动机器人腿部常用结构四足步行机器人的腿部结构形式主要有缩放型机构、四连杆机构、并联机构、平行杆机构、多关节串连机构、缓冲型虚拟弹簧腿机构。缩放型机构缩放型机构具有运动解藕性、缩放性，原动件很小的位移就能够获得较大的足端运动空间，并且其结构简单，易于控制，广泛用于机器人的腿部结构。如图为一种简单的平面缩放型机构，该机构共有3个自由度，即滑块A和C分别沿竖直和水平轴滑动和整个机构绕竖直轴转动。由图可以发现，四边形BCED为平行四边形，C点固定时A点的运动将以FD/ED的比例传到F点，使足端沿垂直方向运动；当A点固定时C点运动将以（FD/ED+1）的比例传至F点，带动足端沿水平方向运动；机构同时绕竖直轴转动时，足端在空间中就可以获得较大的运动空间。缩放型机构刚性较大，传动误差小，但机构的结构较大，质量较重。四连杆机构四连杆机构即把对角线上的两条腿通过连杆连接在一起保持运动的一致性，这种机构结构明了、原理清楚，运行时结构稳定性最好。四连杆机构有多种演化形式，以四连杆机构为腿部机构的设计原则和目的都是为了尽可能保证足端运动轨迹的平整性。不过平面连杆机构输出的轨迹是固定的，且存在一定的死点，只能实施固定的跨步轨迹。如图为四连杆机构模型，由图可以看出采用这种机构的机器人在行走时，可以保持“对角线运动一致”，机器人行走较平稳。并联机构并联机构是一种并行三连杆机构，它由3个驱动器直接驱动机器人腿的3个自由度（大腿、小腿的抬放和侧向转动）。该机构可以实现全方位运动，但因为每条腿上有三个自由度，需要三个驱动器分别直接驱动。如图为并联机构的腿部模型。并联机构虽然控制系统较为复杂，但其负载能力强，且可以实现多方位运动，具有较好的应用前景。如图为四足支撑并联机构的简化模型，地面为定平台，机身为动平台，四条腿为支链，足端与地面接触可以看作是球面副。多关节串连机构多关节串连机构四足机器人是模拟狗、马等动物的运动机理和腿部构造，实现比较稳定节律运动的机器人。多关节机构具有活动范围大，灵活性好的优点，且机构比较简单、不存在死点，采用这种机构的四足机器人可以自主应付复杂的地形条件，完成上下斜坡、翻越障碍等动作，但其腿运动的协调控制比较复杂，并且承载能力较小。缓冲型虚拟弹簧腿机构含有弹性元件的缓冲型虚拟弹簧腿机构，利用弹性元件把刚性连接变为柔性连接，减缓机器人在动态行走时的冲击以及由此产生的振动，行走稳定并且高效，缓冲型虚拟弹簧腿机构有着越来越广泛的应用。如图为缓冲弹簧腿机构简图。-四足移动机器人腿部运动分析四足机器人是具有实现静态步行的最少腿数，也适合于动态步行，实现高速移动，因此，对四足步行机器人的研究，具有特殊的重要性。一般而言，不要设计比较复杂的四足行走机构，杆件太多的步行机构会直接增加结构和传动实现的难度。机构自由度分析要设计一种能够灵活、全方位运动的机器人的行走机构，机器人腿部必须具有一定的自由度。腿部机构的可控自由度越多，它的灵活性越好，但每一个可控自由度要配备一个驱动电机和一套传动机构，所以每增加一个自由度其重量相应要增加许多，控制也越麻烦。因此，步行腿机构的自由度在满足运动条件前提下，越少越好。一般情况下，平面机构的步行“腿”要实现固定步态步行，只须一个自由度就行了；但是要使步行腿在平面内能实现变步态步行，则最少需要两个自由度，这时机器人只能作不改变方向的直线运动；如果要使机器人完成转弯运动，则必须还得添加一个旋转自由度。如图为四足步行机器人总体结构示意图。由上图可以看出，四足机器人由四条腿和机体组成，每条腿由踝关节、小腿、膝关节、大腿、臀关节、髋关节组成，在各主动驱动关节（膝关节、臀关节、髋关节）上分别装有驱动电机，驱动被动关节（踝关节）从而带动整个机构运动。小腿和大腿分别可以绕膝关节和臀关节在一定的角度范围内摆动，实现直线行走运动；整条腿可以绕髋关节转动，完成转弯运动。步态运动分析对于足式机器人来说，其稳定性主要取决于步态，而步态就是行走系统抬腿和放腿的顺序，分为静态和动态两种形式。四足动物存在多种步态，而目前比较常见的步态主要有慢走、慢跑、对角小跑、溜蹄、跳跃、定点旋转、转向等。慢走步态是四足动物的最基本步态，也是最常见的静态步态，如图为慢走步态的行走过程示意图。开始时机体处于站立状态，中心位于前后腿连线的交点，接着处于对角线上的前腿2和后腿4向前摆动，前腿1和后腿3起到支撑作用，机器人重心位于腿1、3连线上，摆动腿2、4向前跨步的同时腿1、3驱动相应关节，使机体向前移动，造成模型重心前倾，恰好使重心在1、3的对角线稳定区域内。在机体移动到位时，摆动腿2和4立即放下，四腿着地，保持平衡站立状态。接着，原支撑腿1、3抬起并向前跨步，腿2、4呈支撑相。支撑腿2、4驱动各关节使机体前移，并且模型重心开始前倾，恰好使重心在支撑腿2和4的对角线稳定区域内。接着2、4立即放下，四腿着地，保持平衡状态，这样既完成整个步行周期动作。对角小跑是四足动物最常见的动态步态，下图为对角小跑的步态过程简图。在这种步态中，机器人按照1、4→2、3的顺序抬腿，完成一个步态周期运动。从初始状态a开始，处于对角线上的腿1、4同时向前抬跨，此过程中，腿1、2相对机体顺时针旋转，腿3、4相对机体逆时针旋转，整个机体向前移动到b状态；接着处于对角线上的腿2、3同时向前抬跨，此过程中，腿1、2相对机体逆时针旋转，腿3、4相对机体顺时针旋转60°，整个机体向前移动到达c状态，机器人恢复到初始姿态。如果精确控制腿相对机体旋转的角度，就可以计算出机体向前移动的距离。按如图角度旋转各腿时，机体每次向前移动mm，整个步态周期中机体重心前移mm。-四足移动机器人行走机构分析四足移动机器人的行走机构是机器人所有控制及运动的载体，是机器人的重要组成部分，也是机械设计的关键之一。一般而言，行走机构要满足能够输出一定的轨迹、实现给定的运动要求、具有一定的承载能力和方便控制的要求。世界各地的一些专家和学者对步行机器人的步行机构已经进行了大量的研究，其结构有多种形式，主要可以划分成三种机构：开环连杆行走机构、闭环平面四杆缩放式行走机构、特殊的步行机构。开环连杆行走机构步行机器人行走机构的研究，一般是仿照动物的腿部结构来对步行机构进行设计，这种机构大部分是由关节式连杆机构来实现。它的优点是具有紧凑的结构，步行机构能够实现较大的运动空间，并且运动非常灵活，因为关节式的步行机构链接的部分是关节，所以在行走的过程中不稳定的状态能够快速的恢复平衡。缺点是想要实现运动时的协调控制比较困难，并且它的承载能力比较小。如图所示为常见的开环关节连杆行走机构的三维模型简图，这种机构是由大、小腿以及髋关节等部分构成的。平面运动机构的主要组成部件是大、小腿，空间运动则是由髋关节驱动平面机构实现。建立如图所示的平面坐标系，髋关节为第一关节，它在O1点环绕Z轴转动，设它的旋转半径为L1；大腿关节为第二个驱动关节，在A点环绕着和大、小腿的运动平面所垂直的轴进行转动，大腿的杆长为L2；小腿关节为第三个驱动关节，在B点环绕着和大、小腿的运动平面垂直的轴转动，小腿杆的长度为L3。同时设逆时针方向为正向角，髋关节、大腿关节、小腿的驱动转角分别为α、β、Φ，根据上图可以建立足端C点的运动轨迹方程如下：通过上式和图形可以得到，小腿杆能够在转过大臂上部空间内运动（就像人的小臂运动一样），因此在运动的时候，由于臂的末端C点能运动到比较大的区域，在髋关节进行转动时候，机构的运动空间可以实现三维椭圆状。但是采用这种机构作为步行机构，在机器人的行走过程中，机器人足端的运动范围不能够实现整个可达运动空间的覆盖，大腿杆在转动时也不能到达所有的区域。从上面的原因中能看出，小腿和地面法线的夹角要在一定的范围之内才能够实现。由上式可知，对于不同的高度值，足端的运动轨迹类似椭圆曲线，当髋关节转动时，足端形成三维的运动空间，足端的运动空间如下图所示。闭环平面四杆缩放式行走机构闭环平面四杆机构并没有开链式结构承载能力低的缺点，它拥有比较好的刚性和较小的功耗，因此具有较广泛的应用。如图所示为一种比较常见的闭环平面四杆步行机构，它的协调控制非常简单。缩放式腿部的结构拥有比例特性，可以按比例放大驱动器的推动距离从而得到足端的运动距离，它的不足之处是：不论是圆柱坐标还是直角坐标的缩放机构，都需要二个以上的线性驱动关节，这就导致了机械结构较大，质量较重，而且驱动距离限制了机器人足端的运动范围，很难得到比较大的运动空间。众所周知，在四杆机构中二根杆重合的时候，机构将会出现死点，为了防止四杆机构死点的产生问题，比较实用的做法是规定一个小腿杆与大腿杆的最小夹角γmin和最大夹角γmax，即在大小腿杆之间的夹角无论在任何情况下都必须要在最小夹角和最大夹角之间。就是因为这种限制要求，导致了大小腿的运动受到比较大的限制，组成了平面运动机构。特殊的步行机构特殊步行机构的使用范围较小，一般仅仅局限于一些特殊的场合，针对某些领域的某一特殊需求，特殊步行机构具有很大优势，但其不适合一般性的分析与研究。

04

多足移动机器人单步行组足结构设计

目前机器人研究的领域已经从结构环境下的定点作业中走出来，向航天航空、星际探索、军事侦察攻击、水下地下管道、疾病检查治疗、抢险救灾等非结构环境下的自主作业方面发展，同时新的需求和任务也对机器人的性能提出了更高要求。通过对这些自主作业环境特点进行研究我们可以发现，不规则和不平坦的非结构环境成为这些作业任务的共同特点，这样就使轮式机器人和履带式机器人的应用受到极大的限制，多足仿生机器人也就应运而生。多足仿生机器人因其天生具有多关节、多冗余自由度、多种运动模式的特性，使其特别适合在复杂环境下完成搜救、侦查、排除爆炸物和星际探索等任务。多足步行机器人的腿部机构是机器人的重要组成部分，是机械设计的关键之一，腿部性能的好坏直接决定着机器人功能的可行性。从某种意义上说，对多足步行机器人机构的分析主要集中在对其腿机构的分析。一般地，从机器人结构设计要求看，腿机构不能过于复杂，杆件过多的腿机构形式会引起结构和传动的实现产生困难。因此,对多足步行机器人腿机构的基本要求可以归纳为：实现运动的要求；满足承载能力的要求；结构实现和方便控制的要求。为了设计行走机构的结构，我们首先引入空间自由的的概念：一个杆件（刚体），在空间上完全没有约束，那么它可以在3个正交方向上平动，还可以有三个正交方向的转动，那么就有6个自由度。若在二维空间中有n个完全不受约束的物体，选其中的一个为固定参照物，因每个物体相对参照物都有6个运动自由度，则n个物体相对参照物共有6(n-1)个运动自由度，若在所有的物体之间用运动副联接起来，设第1个运动副的约束为i，如果所有n个物体之间的运动副数目为m，这时的运动自由度应减去所有的约束数的总和。一般地，多足步行机器人能实现灵活的行走动作，其腿机构至少必须有两个自由度，即前后的摆动和上下的抬放运动。构成两个自由度的方法可以都采用回转副，或是采用一个回转副和一个可伸缩的移动副，还有就是采用两个移动副，将前后的摆动变为前后滑移。但是想利用腿的转动改变前进方向，或是在原地旋转，那腿部机构就至少三个自由度，即在两个自由度腿上加一个水平旋转自由度。如下图为昆虫一腿部模型图，昆虫有3对足，在前胸、中胸和后胸各有一对，我们相应地称为前足、中足和后足。每个足由基节、转节、腿节、胫节、跗节和前跗节几部分组成。基节是足最基部的一节，多粗短。转节常与腿节紧密相连而不活动。腿节是最长最粗的一节。第四节叫胫节，一般比较细长，长着成排的刺。第五节叫跗节，一般由2-5个亚节组成，为的是便于行走，在最末节的端部还长着两个又硬又尖的爪，可以用它们来抓住物体。昆虫腿部有多个自由度，可以在前后和上下方向移动，也可以向任意方向转动。设计机器人足部结构时，可以模仿昆虫腿部模型，并将其简化为根节、腿节、胫节三部分。当多足机器人行走时，足尖与地面接触会产生冲击，冲击力过大时会对整个机构的稳定性和结构刚性有很大影响。为减小足尖与地面的冲击对机体的影响，可以在足尖处添加一种双缓冲弹性结构，如图为双缓冲弹性足尖结构图。当足尖加速冲击地面时，首先起缓冲作用的是由聚氨酯（橡胶）制成的减震球1，它的减震效果十分明显，而且具有三维延迟复原的特点，特别适合做机器人足尖使用。第二道缓冲措施就是利用弹簧2缓冲，外力通过足尖传递给滑块4，然后由滑块4把力传递给弹簧，为了防止滑块4在滑槽内卡死使弹簧起不到缓冲的作用，把滑块4材料选择具有自润滑性能的聚四氟乙烯，它的摩擦系数非常的小所以在滑槽内滑动所受到的阻力也特别的小，基本不会出现卡死的现象。下图为步行足结构图，材料采用密度较轻的铝合金，关节连接板的作用是连接各模块化关节，传递运动和动力。研究发现，三个关节的长度比例为0.05:0.45:0.5时机器人横向行走的灵活性、轻动性、变向性等性能最好，可以通过控制关节连接板的尺寸来保证腿节长度比例。

05

四足移动机器人行走机构设计

自然环境中有很多地方，如森林、草地、湿地、山林、海底等拥有巨大的资源，要探测和利用且要尽可能少的破坏环境，四足步行机器人因其优越的野外行走和负载能力使其成为野外和海底探测工作的首选。四足机器人最经典之作是由6年7月，波士顿动力学工程公司（BostonDynamics）展示了最新的四足机器人—“BigDog”，如图所示。该项目由美国国防部高级研究计划署(DARPA)资助，该机构希望“大狗”可以在那些军车难以出入的险要地势助士兵一臂之力。最新款“大狗”可以攀越35度的斜坡。液压装置由单缸两冲程发动机驱动。它可以承载40多公斤的装备，约相当于其重量的30%。“大狗”还可以自行沿着简单的路线行进，或是被远程控制。该公司打破以往机器人设计中的动力源为电机的传统，而采用发动机的形式驱动机器人，使其有非常大的驱动力矩，从而实现高负载运输任务。该机器人长1米，高70cm自重75千克，最大载重量为50千克。机器人依靠感觉来保持身体的平衡，如果有一条腿比预期更早地碰到了地面,计算机就会认为它可能踩到了岩石或是山坡,相应地调节自己的步伐。行走机构的性能要求四足步行机器人中，行走机构的设计是机器人设计的关键。四足步行机器人行走机构的设计和所有机械结构设计的要求一样，包括对行走机构整机的设计要求和对组成零件的设计要求两个方面，两者相互联系、相互影响。要实现复杂环境的自由行走，腿部机构至少应该有3个自由度，这样足端才能具备一个立体的三围运动空间，并且行走机构还应具备足够的刚度。总的来说，四足步行机器人行走机构的设计要有如下性能要求：1、要有足够的刚度且质量应尽可能的小，甚至要有一定的承载能力；2、机构的输入和输出运动关系应尽可能简单，推进运动、抬腿运动最好是独立的；3、平面连杆机构不能与其他关节发生干涉；4、实现直线运动的近似程度，不能因直线位置的改变而发生较大的变化。总体方案的确定根据仿生学，腿结构一般分为髋关节、大腿、膝关节、小腿、腕部，其中髋关节有实现水平旋转和俯仰的两个自由度；膝关节实现俯仰，为使整条腿有较好的灵活度和利于整体的稳定性控制，采用两个自由度；腕部实现俯仰的一个自由度。综上拟定每条腿有5个自由度的四足仿生机器人，其结构简图如下。按工作要求，四足仿生移动机器人要实现全方位行走，且适应复杂地形。在保证足够强度、刚度的条件下，对整个腿的质量要加以限制，减少驱动源的动力消耗，使机器人轻便灵活，这要求足轻而且坚固，选择LY2硬质铝合金作为腿的结构材料。腿部结构尺寸为：髋关节长度L1=mm；大腿长度L2=mm；膝关节长度L3=mm；小腿关节长度L4=mm；足长L5=mm。行走机构设计参考国内外四足移动机器人行走机构的结构设计，并根据设计要求，对各个回转关节的传动方案和结构单独分析，分别加以设计。1、髋关节设计机器人腰部（髋关节）外安放一驱动电机1，驱动内部齿轮2和齿轮3的传动装置，实现竖直主轴4的转动，从而实现大腿5，小腿6等工作部分的旋转自由度，如图腰部设计内部传动图。2、大腿和小腿关节设计在大腿与肩部连接关节处安装一驱动电机7，带动与之相连的蜗杆9旋转，进而带动与蜗杆啮合的蜗轮8旋转，蜗轮旋转使得与之相连的轴10旋转，这样最终带动大臂5，使大臂绕轴旋转，如图为大臂传动设计。小臂与大臂之间通过膝关节连接，大腿上装有电机，带动带轮12旋转，用一圆带13连接带轮14，带轮14与膝关节用键连接使其无相对旋转，电机旋转时膝关节与大腿便产生相对转角。齿轮15通过轴16及键固定在大腿上，膝关节与大腿的相对转角通过齿轮17传递给18，齿轮18与小腿无相对运动，这样小腿跟膝关节便产生一个与膝关节跟大腿相同大小的相对转角，且由齿轮传动的变相性小腿与膝关节的旋转方向一致，设计如图所示的小腿传动结构。3、腕部关节设计设计机器人手腕自由度数时，要根据作业需要来定。要使机器人各关节的运动角度愈大，则手腕自由度数目应愈多，那么机器人的灵活性就愈高，在作业中就会表现出愈强的适应能力。同时腕部结构的复杂性会随自由度的增加而增加，机器人的控制也就更困难，使其成本增加。要根据实际作业要求来确定手腕的自由度数,在能达到作业要求的前提下，应尽可能的减少自由度数。一般的机器人手腕有2至3个自由度，有的则需要更多的自由度数，而有不需要自由度，实现作业的任务要求仅凭受腰部和臂的运动就能完成。所以要具体问题具体分析，考虑四足机器人的运动方案，多种布局，选择最简单的方案并使其满足要求，综上则该四足仿生移动机器人腕部采用一个自由度。机器人腕部安装在足式机器人腿部的末端，在设计时应尽量减少手腕的体积和重量，使其结构紧凑。采用分离传动驱动器的腕部机构，以减轻机器人腕部重量。腕部驱动器不采用直接驱动，一般在手臂上安装驱动器，并且采用铝合金等强度高材料制造。机器人的末端执行器要联在手腕上，所以要有标准的法兰联接，在结构上使末端执行器装卸简便。在力与运动传递的过程当中，机器人的手腕机构要体现足够的刚度和强度，用以保证实现其动作。为减小空回间隙，提高传动精度，应设有可靠的传动间隙调整的机构。为避免超限造成机械损坏，在各关节轴转动处要有限位开关，且设置硬限位。综上腕部结构及传动设计如下：由腕部转动设计图，我们可以看到电机20驱动带轮21旋转，通过带22、带轮23、带24、带轮25、带26、带轮27将动力传递给齿轮28，与之啮合的圆柱直齿轮29旋转，并带动传动轴30从而可实现手腕部分31的旋转自由度。该方案的结构相对复杂，但整体重量相对较轻，且紧凑性更好，可以自由选择电机类型。

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六足移动机器人

六足步行机器人是模仿六足动物的腿部结构，能够完成多种移动功能的一种特种机器人。六足机器人能够在各种复杂的环境中稳定地行走，可以代替人从事完成在一些危险、未知等环境中的作业。-六足移动机器人运动学分析足式机器人的每个步行足可以看作是一个串连的开式运动链，各关节连杆通过转动符串连在一起。如图为步行足运动示意图，两个关节之间连有转动机构，每个转动机构有一个自由度，每条腿就有3个自由度。通过驱动转动六足机器人的步态丰富，有三角步态、四足步态、波动步态、自由步态四种形式。三角步态是实现六足步行机器人行走的典型步态，采用三角步态行走时机器人的身体重心低，不用协调Z向运动，容易稳定，这种行走方式广泛运用于六足步行机器人的行走机构设计中。所谓三角步态即分布在机器人两侧的6条腿分成左右两组，分别组成两个三角形支架，依靠大腿前后划动实现支撑和摆动过程。如图为三角步态简图，图中机器人的髋关节在水平和垂直方向上运动，此时，B、D、F脚为摆动脚，A、C、E脚原地不动，只是支撑身体向前。当需要转弯时，机器人以一足为中心支撑原地转弯。下图为机器人右转弯的示意图，图中以E为支撑中足，右转弯运动的过程如下：1、首先A、C、E腿抬起，然后A、C腿向前摆动，E腿保持不动，B、D、F腿支撑。2、A、C、E腿落地支撑，同时B、D、F腿抬起保持不动。3、A、C腿向后摆动。整个运动过程中B、D、E、F不做前后运动，只是上下运动。-六足移动机器人行走机构设计六足步行机器人是模仿六足动物的腿部结构，能够完成多种移动功能的一种特种机器人。六足机器人能够在各种复杂的环境中稳定地行走，可以代替人从事完成在一些危险、未知等环境中的作业。足部机构分析足是昆虫的运动器官，昆虫有3对足，行走是以三条腿为一组进行的，即一侧的前、后足与另一侧的中足为一组，这样就形成了一个三角形支架结构，当这三条腿放在地面并向后蹬时，另外三条腿即抬起向前准备替换。前足用爪固定物体后拉动虫体向前，中足用来支持并举起所属一侧的身体，后足则推动虫体前进，同时使虫体转向。这种行走方式使昆虫可以随时随地停息下来，因为重心总是落在三角支架之内。步行机器人的足部机构是行走运动的载体，所有运动都要靠足部实现，参考昆虫的足部结构，并将其简化设计步行机器人的行走机构，如图为六足步行机器人的简易模型。机器人的一支脚共有两个关节，一个关节采用左右式移摆，使机器人能够做前后运动；另一个关节则是采用偏摆式，使脚可提高放下，做上下运动，使机器人完成转弯。下图为单个足部的行走机构简图，机构采用连杆结构，每条腿部均有三个自由度。通过A点实现第一个自由度，即控制机器人腿的上下抬放运动，B为摆动中心轴，A处上下循环运动，带动连杆机构周期性的上下抬放。以C点实现第二个自由度，即控制机器人腿的前后运动，C点前后循环运动带动连杆机构周期性前后摆动。第三个自由度，机器人的转向无需在增加原动件，只需在步态控制上就能达到，简单地说如果左侧腿摆动比右侧慢，则机器人向左拐，反之亦然。腿部传动机构确定多足步行机器人腿部关节数目多，结构要求紧凑，要合理布置腿部机构，以减小步行足的结构尺寸，符合步行足细长的结构外形是电机驱动形式和减速机构所要解决的关键问题之一。根据以上要求，适合于多足机器人的传动方式主要有以下几种：1、绳轮传动绳轮传动方式是目前仿生机器人常采用的关节传动方式，这种传动方式可实现运动和动力的远距离传送，但此类传动方式存在这滞后的现象，有较大运动传递误差，另外绳索只能承受拉不能受压，故很难实现回程，此外在短距离狭小空间内难以使用这种传动方式，这种传动方式不适于应用在微小型机器人中。2、带传动带传动目前多用于机械臂式机器人中。带传动不能保持准确的传动比，且存在传动效率和强度低，疲劳寿命短不便控制的特点，这种传动方式在微小型机器人应用方面存在很多的局限性。3、链传动链传动是以链作为中间挠性件，依靠链与链轮齿的啮合来传递运动和动力的传递方式，由于链条齿轮的摩擦容易使链条松弛，齿轮磨损，且传动噪声高，这种传动方式不适于应用在微小型机器人中。4、连杆传动连杆传动机构对多足机器人这类短距离的运动和动力传送是一种可行的方案。但连杆传动方式一般会增加机器人结构的复杂程度，使机械结构的设计和加工变得困难。5、蜗轮蜗杆传动蜗轮蜗杆传动方式传动比较大，结构很紧凑，当蜗杆的螺旋升角小于啮合面的当量摩擦角时蜗杆便具有了自锁性。蜗轮蜗杆传动广泛用于两轴交错、传动比较大，传动比不太大的或间歇工作的场合。本课题所设计的多足机器人在行走的过程中要使各关节保持每个运动姿势，要达到此要求有两种方式可供选择：一种方式是利用电机的持续供电来达到自锁的要求，另一种方式就是传动系统具有自锁性能。考虑到所设计的机器人如果进行野外作业时能源问题是制约机器人的主要因素，机器人的驱动能力有限，不可能运载过大的车载电源，在机器人进行作业时完成一步指令时等待控制系统发出下一步的运动指令之间就需要关闭驱动系统电源，这样可以达到节约能源的目的，延长机器人的作业时间。因此我们选择了蜗轮蜗杆传动，当蜗杆的螺旋角小于啮合面的当量摩擦角时就可以满足自锁的条件，而且蜗轮蜗杆是传递交错轴动力的这样可以使电机作为腿部的一部分，使结构更加的紧凑，由于蜗杆齿是连续不断的螺旋齿，它和蜗轮齿是逐渐进入啮合及逐渐退出啮合的，同时啮合的齿对又较多，故冲击载荷小，传动平稳，噪声低，这对于隐蔽作业都是非常有利的。根据蜗杆形状的不同，蜗杆传动可分为圆柱蜗杆传动，环面蜗杆传动和锥蜗杆传动，如图为三种传动类型。普通圆柱蜗杆中阿基米德蜗杆的应用最广泛，但是这种蜗杆的磨削非常的困难，当导程角较大时加工不便。如果磨削效果不好，将导致摩擦非常的严重，效率很低而且过分发热，使润滑情况恶化，传动效率仅为20%左右。本课题所设计的多足机器人用于野外的作业，工作环境比较恶劣，出于减轻整机重量的考虑，箱体的设计为半封闭形式，润滑肯定达不到预期的效果，所以不选择此种类型的蜗杆。锥蜗杆传动由于结构上的原因，传动具有不对称性，因而正反转时受力不同，承载能力和效率也不同。如果使用它作为多足仿生机器人关节传动系统，这将对机器人主控系统提出很高的要求，因为多足机器人在行走的过程中反复的正转和反转，应该尽量使正传反转对称的结构这样可以使用相同的控制原理，简化了控制系统的设计任务。环面蜗杆传动一种比较优秀的传动方式，但是设计的电机直径较小，小直径的环面蜗杆加工非常的困难，精度要求也较高，而且蜗杆边缘厚度小，很难满足强度的要求。通过以上的分析最终选择了圆柱蜗杆传动中的圆弧圆柱蜗杆传动（ZC蜗杆），该种蜗杆和普通圆柱蜗杆传动相似，只是齿廓形状有所差别。它的主要特点为：效率高；一般可达到90%以上；承载能力高，一般可较普通圆柱蜗杆传动高出50-%，体积小，质量小，结构紧凑，特别适合应用在机器人中。关节连接板设计关节连接板的作用是连接各模块化关节，传递运动和动力，设计时在保证连接强度可靠基础上尽量使质量最轻。选材时可以选择了密度较小、强度较好的材质，如铝合金。国内外学者通过对仿生腿式机器人进行研究发现，仿生腿式机器人的行走步长、腿节关节比例、各关节轴线方向、躯体离地高度、行走方向等参数都会对机器人的灵活性、轻动性变向性等性能产生影响，当机器人横向行走，基节、股节、径节三个关节的长度比为0.05:0.45:0.5时机器人的灵活性、轻动性、变向性等性能最好。为了满足腿节长度比例，提高机器人移动性能，可以通过控制关节连接板的尺寸来保证。如图为六足机器人的单腿结构图，腿的外部采用了塑料壳体包装设计，由图可以看出，单腿由基节、股节、胫节和基关节、股关节、膝关节组成。单腿的数据分别为基节68mm、股节mm、胫节mm、单腿长度mm、单腿重量g。

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