足式移動機器人專題

1、足式移動機器人是機器人領域中最活躍的一份子，足式移動機器人具有獨特的優(yōu)勢和更高的靈活性，能夠輕松的融進人類生活，與人類協(xié)同工作，從長遠來看，足式移動機器人在諸如大眾服務行業(yè)、教育、醫(yī)療、無人工廠、宇宙探索等都有著潛在而又廣闊的應用前景。足式移動機器人分類 自然界中總存在著一些人類難以到達（如外太空、深海等）和危險、惡劣環(huán)境（如火災現(xiàn)場、輻射地區(qū)），于是就開發(fā)利用能夠自主運行的可移動機器人代替人類從事一些危險和難以觸及的環(huán)境方面的作業(yè)。由于足式移動機器人比其它移動機器人有著更好的地形適應能力，并且更加靈活，因此在實際中得到了更加廣泛的應用。足式移動機器人按照其“腿部”的數(shù)量不同可以分為單足式移動

2、機器人、雙足式移動機器人和多足式移動機器人（包括四足式移動機器人、六足式移動機器人和八足式移動機器人等）。1. 單足式移動機器人單足式移動機器人一般做成彈跳式，1980年世界上最早的彈跳機器人在麻省理工學院機器人實驗室研制成功，該機器人采用連續(xù)跳躍機構(gòu)，可實現(xiàn)連續(xù)彈跳。單足機器人結(jié)構(gòu)簡單，做成彈跳式可以越過數(shù)倍自身尺寸的障礙物，比其它足式機器人更加適應多障礙物的環(huán)境，在考古探測、地形勘察等領域得到了大量的應用。如圖為單足式彈跳機器人。 2. 雙足式移動機器人雙足式移動機器人幾乎可以適應各種復雜地形，對步行環(huán)境要求很低，有教高的跨越障礙能力，不僅可以在平面上行走，而且能夠方便地上下臺階及通過不平

3、整、不規(guī)則或較窄的路面，它是足式移動機器人中應用最多的。雙足步行機器人能突顯出科技水平個性化，可提高服務水平，擔當導游、服務、咨詢、信息查詢等角色。這不僅僅是一個服務問題和節(jié)省人力的問題，更重要的是它可以提供各種全面特殊的服務，一人可在不同的場合充當不同的角色，可以自動識別行走過程中碰到的障礙物，并做語音提示。如圖為一種雙足式移動機器人。 3. 多足式移動機器人多足步行機器人是一種具有冗余驅(qū)動、多支鏈、時變拓撲運動機構(gòu)足式機器人，多足步行機器人具有較強的機動性和更好適應不平地面的能力,能完成多種機器人工作。常見多足式移動機器人包括四足步行機器人、六足步行機器人、八足步行機器人等。如圖為仿犬的四

4、足步行機器人。 下圖為八足步行機器人。 單足步行機器人簡介與其它類型的足式移動機器人相比，單足步行機器人雖然腿部結(jié)構(gòu)較為簡單，但其行平衡性較差、并且行走較難控制，在實際中的應用價值不大，常作為小型的教育型機器人。為了提升單足式移動機器人應用價值，常將單足式移動機器人的足部設計成彈跳式和球輪式特殊結(jié)構(gòu)。單足彈跳機器人輪動與爬行都不能越過與自身大小相當?shù)恼系K，只有彈跳才能做到，彈跳機器人可以越過數(shù)倍甚至數(shù)十倍于自身尺寸的障礙物。彈跳結(jié)構(gòu)與其它移動方式結(jié)合可以大大提高機器人的活動范圍，而且彈跳運動的突然性與爆發(fā)性有助于機器人躲避危險。單足跳躍機器人雖然實際的應用能力有限，但其獨特的越障性能使其仍具備

5、一定的研究價值。Raibert在1984年設計了世界上第一個以跳躍方式運動的單腿機器人，機器人的運動被限制在一個平面內(nèi)，腿部裝有氣缸，作用相當于彈簧，因此它在地面上的運動類似于一個帶彈簧的倒立擺。其控制器分為3個相互獨立的部分，分別控制高度、前向速度和姿態(tài)。之后，美國明尼阿波利斯明尼蘇達大學的研究員尼古斯·古洛波洛斯和他的同事研制出一種可以跳上樓梯和搜查危險建筑物內(nèi)部的微型機器人，這種機器人可以用于城市戰(zhàn)爭或幫助警察挫敗處于包圍之中的劫持人質(zhì)的恐怖分子。單足球輪機器人傳統(tǒng)的單足機器人由于受到腿部機械結(jié)構(gòu)和運動控制的限制，很難在小范圍內(nèi)實現(xiàn)靈活的全方位移動，為解決這一問題，將足部末端的

6、機構(gòu)設計成圓球體結(jié)構(gòu)，從而出現(xiàn)了單球輪移動機器人。單足球輪移動機器人依靠圓球體在地面上移動，圓球體相當于不受方向限制的輪子，在小范圍內(nèi)可以靈活的全方位移動。單球輪移動機器人與地面的只有一個接觸點，所以不能保持靜態(tài)穩(wěn)定，只能處于動態(tài)的平衡當中。單球輪機器人換向時不用轉(zhuǎn)彎，當工作區(qū)域特別狹窄時，具有很強的實用性?？偟膩碚f，單球輪機器人具有以下幾個優(yōu)點：（1）轉(zhuǎn)彎半徑為零：機器人能繞本體中心旋轉(zhuǎn)，不需要轉(zhuǎn)彎便可以調(diào)整移動方向，可以在小空間內(nèi)靈活移動； （2）無剎車系統(tǒng)：通過CPU控制電機提供正反轉(zhuǎn)力矩，不需要減速器就能快速穩(wěn)定的剎車； （3）功耗小：所需要的驅(qū)動功率較小，可延長電

7、池供電時間； （4）體積小：相比傳統(tǒng)多輪機器人，單球輪機器人占地面積小得多。最早對單球輪移動機器人進行研究的是卡內(nèi)基梅隆大學。2005年前后，卡內(nèi)基梅隆大學的T.B.LauwerS、GA.Kantor和R.L.HolliS在前人研究的基礎上，推出了一個新型獨輪自平衡機器人“Ballbot”，如圖所示，研究該機器人的主要目的在于更好的與人進行人機交互。機器人的正身是一個高度為1.5m，直徑為400mm，重量為45kg的圓柱。與一般的獨輪自平衡機器人最大的不同是，“Ballbot”可以靈活的向任意方向運動。單足球輪式機器人Ballbot之后在2008年，日本東北大學在圓球機器人“Ball

8、Bot”的研究之上先后發(fā)明了兩種類型的單球輪移動機器人，分別命名為“BallIP1”和“BallIP2”。第一種機器人“BallIP1”如圖（a）所示，它的總高度約1300mm，無球時的重量為12kg，球重3.6kg。之后研究的第二個機器人“BallIP2”如圖（b）所示，機器人“BallIP2”的預期研究目的是運輸貨物，它的設計比前者要小，高度大約為500mm，無球時重量約為11kg，每個機器人所用的球輪都是一個橡皮保齡球（使用液體橡膠噴涂層），直徑約為200mm。機器人“BallIP1”（左）和“BallIP2”（右）雙足步行機器人簡介雙足步行機器人是一種有著良好的自由度，并且靈活、穩(wěn)定，

9、能夠適合各種不同的環(huán)境，集機械、電子、信息、光檢測為一體的具有“兩條腿”可以類人直立行走的機器人。雙足機器人的研究歷史已有近40年,早在1968年,美國通用公司試制了一臺名為“Rig”的操縱型雙足機器人,揭開了雙足機器人研究的序幕。1972年，日本早稻田大學研制出第一臺功能較全的兩足步行機器人。接著，美國、南斯拉夫等學者也研制出各種兩足走行機器人模型。到80年代國外的雙足機器人研究進入熱潮，并提出了很多非常系統(tǒng)的建模及控制的理論和方法。 目前雙足機器人的研究已取得了一定的成果,尤其是近幾年來隨著驅(qū)動器、傳感器、計算機軟硬件等相關技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了大量的機器人樣機,不僅實現(xiàn)了平地步行、上下樓梯和

10、上下斜坡等步態(tài),有的還能實現(xiàn)跑步、彈跳及跳舞等動作。 雙足步行機器人因其具有體積相對較小，對非結(jié)構(gòu)性的復雜地面具有良好的適應性、自動化程度高，并且能耗較少、移動盲區(qū)小等優(yōu)點，使其成為了機器人領域的一個重要發(fā)展方向。雙足式移動機器人雖然研究難度較大，但其應用領域廣泛，很多學者紛紛投入到雙足機器人的研究中來，也不斷研發(fā)出了適合不同工作環(huán)境的“專用”機器人，如在服務行業(yè)兩足機器人可以擔當導游、服務員、提供咨詢等，在海洋開發(fā)方面兩足機器人可以深入海底進行深海探索等。相對其它移動機器人雙足步行機器人也有著一定的缺點使其應用受限，比如行進速度較低，且由于重心原因容易側(cè)翻，不穩(wěn)定等。 雙足步行機器人按其行走

11、方式的不同主要有靜態(tài)步行、準動態(tài)步行和動態(tài)步行三種類型。 靜態(tài)步行 兩足步行機器人靠地面反力和摩擦力來支撐，繞此合力作用點力矩為零的點稱為零力矩點(ZMP)。在行走過程中，始終保持ZMP在腳的支撐面或支撐區(qū)域內(nèi)。 準動態(tài)步行 把維持機器人的行走分為單腳支撐期和雙腳支撐期，在單腳支撐期采用靜態(tài)步行控制方式，將雙腳支撐期視為倒立擺，控制重心由后腳支撐面滑到前腳支撐面。 動態(tài)步行 這是一種類人型的行走方式。在行走過程中，將整個驅(qū)體視為多連桿倒立擺，控制其姿態(tài)穩(wěn)定性，并巧妙利用重力、蹬腳和擺動推動重心前移，實現(xiàn)兩足步行。動態(tài)步行涉及機構(gòu)控制和能源等難題，目前仍處于研究階段，兩足步行機器人可用于宇宙探測

12、、排險及軍事等方面。 雙足步行機器人產(chǎn)品介紹 雙足機器人的研究始于1968年，經(jīng)過半個世紀的發(fā)展，已取得了一定的成果，目前為止全球研究雙足機器人的公司和組織有很多，也開發(fā)出了很多產(chǎn)品，并且部分產(chǎn)品也已經(jīng)用于實踐，進入到人們生活和工作中。下面列舉一些比較好的雙足機器人產(chǎn)品。2005年4月12日，ZMP公司開發(fā)出雙腳步行機器人“NUVO”，該機器人具有語音識別功能，可由手機遠程遙控。后來，ZMP公司又陸續(xù)開發(fā)了很多雙腳步行機器人，如iPod周邊機器人Miuro，說白了其實就是一款iPod音箱，不過它是第一個會自己走動的iPod音箱。該機器人通過“身體兩側(cè)”的圓形揚聲器滾動行走，可連接iPod播放音

13、樂，或通過無線接收電腦中的音樂播放。Miuro還裝配了遙控器控制，通過內(nèi)置攝像頭和傳感器自主行動，在屋子里隨處跟著主人播放音樂。 “NUVO”機器人2009年，日本本田公司研制的雙足機器人阿西莫(ASIMO)，可以稱得上是世界上最先進的類人機器人，是當時全球唯一具備人類雙足行走能力的機器人。阿西莫使用日本本田公司設計開發(fā)出一種新技術(shù)，通過識別大腦頭皮電流變化和血液的流動信息，實現(xiàn)由人的大腦意念來控制機器人。這種新技術(shù)，可以實現(xiàn)比如打開汽車車門或者關閉家里的暖氣這樣簡單的動作，也許不久以后就再也不需要親自動手了，只用坐在舒服的沙發(fā)上靜靜地想象整個動作過程，與大腦相連接的機器人就能幫助完成。 機器

14、人阿西莫 隨著步行機器人的不斷發(fā)展，其功能、用途、種類也不斷增多。比如2010年9月日本千葉工業(yè)大學研究人員制造出一個雙腳步行的機器人“大力士”core，它能一次運載100公斤重的物品?！癱ore”高約2米，重230公斤，通過兩條腿步行前進，在運送重物時，其雙腿能做出屈伸動作?！癱ore”使用的單臺發(fā)動機設計輸出功率為1.2千瓦，最大可達3千瓦，相當于小型摩托車發(fā)動機輸出功率的5倍，"core"的每條腿上各有6臺這種發(fā)動機。設計人員還為“core”的腿部添加了特殊結(jié)構(gòu)，當它的腳落在地面時，其腿部可吸收約80%的沖擊力。 “大力士”機器人core 2011年8月，美國密歇根州

15、大學的實驗室研制出一款能夠像人類一樣奔跑的機器人，讓雙腿機器人的敏捷性和效率達到一個新的高度。這款機器人名為“MABEL”，最高速度可達約每小時11公里，據(jù)信是世界上速度最快的雙腿有膝機器人。MABEL重量分布方式與人類相似，它的軀干更重，腿部輕巧而靈活，裝有充當肌腱的彈簧。MABEL每跨一步時在空中的停留時間占到40%，就像是一個真正的奔跑者。在穿行于復雜地形和進入建筑物內(nèi)執(zhí)行任務方面，具備出色奔跑能力的雙腿機器人擁有優(yōu)勢。MABEL可以充當機器人士兵或者營救人員進入著火的房屋搜尋幸存者。 機器人“MABEL”多足步行機器人簡介在自然界和人類社會中存在一些人類無法到達的地方和可能危及人類生命

16、的特殊場合。如行星表面、災難發(fā)生礦井、防災救援和反恐斗爭等，對這些危險環(huán)境進行不斷地探索和研究，尋求一條解決問題的可行途徑成為科學技術(shù)發(fā)展和人類社會進步的需要。地形不規(guī)則和崎嶇不平是這些環(huán)境的共同特點。以往的研究和實踐經(jīng)驗表明，不管是輪式機器人、履帶式機器人和單、雙足式移動機器人都難以滿足以上需求，由于多足步行機器人對崎嶇和不規(guī)則地形的獨特適應能力，使多足步行機器人的研究蓬勃發(fā)展起來。多足步行機器人是一種具有冗余驅(qū)動、多支鏈、時變拓撲運動機構(gòu)，模仿多足動物運動形式的特種機器人。國內(nèi)外研究多足步行機器人最早可以追溯到我國的三國時期，蜀漢丞相諸葛亮發(fā)明的一種運輸工具“木牛流馬”。國外有據(jù)可查的記載

17、是Rygg在1893年設計的機械馬。此后多足步行機器人歷經(jīng)一百多年的發(fā)展，取得了長足的進步，歸納起來主要經(jīng)歷了以下幾個階段：第一階段，機械和液壓控制實現(xiàn)運動的發(fā)展階段。二十世紀六十年代，美國的 Shigley( 1960年)和Baldwin(1966年)就使用凸輪連桿機構(gòu)設計出比輪式車或履帶車更為靈活的步行機。這一階段比較典型的是美國的 Mosher于1968年設計的四足車"Walking Truck"，步行車的四條腿由液壓伺服馬達系統(tǒng)驅(qū)動，安裝在駕駛員手臂和腳上的位置傳感器完成位置檢測功能。雖然整機操作比較費力，但實現(xiàn)了步行及爬越障礙的功能，被視為是現(xiàn)代步行機發(fā)展史上的一

18、個里程碑。從步態(tài)規(guī)劃及控制的角度來說，這種要人跟隨操縱的步行機并沒有體現(xiàn)步行機器人的實質(zhì)性意義，只能算作是人操作的機械移動裝置。第二階段，由于計算機大計算量的復雜數(shù)據(jù)處理能力的提高，機器人技術(shù)進入了全面發(fā)展的階段。1987年，K. J. Waldron 等研制成功了ASV六足步行機器人；1989 年， W.Whittake 等成功研制了用于外星探測的六足機器人AMBLER；1993年1月，八足步行機器人 DANTE 用于對南極的埃里伯斯火山的考察，而后，其改進型DANTE-II也在實際中得到使用。在航空領域，美國NASA研制了爬行機器人“spider-bot”；英國在 1993 研制了六足步行

19、機器人“MARV”，印度也于 2002 年研制了六足行走式機器人“舞王”。第三階段，多功能性和自主性的要求使得機器人技術(shù)進入新的發(fā)展階段。由于許多危險工作可以由機器人來完成，這就要求機器人不但要具備完成各種任務的功能，還必須有自適應的運動規(guī)劃和控制性能。所以，多足步行機器人的研究也進入了融合感知、規(guī)劃和行動與交互的自主或與人共存的新一代機器人研究階段。在國內(nèi)，中科院沈陽自動化研究所、清華大學、上海交通大學、哈爾濱工業(yè)大學、 國防科技大學等單位和院校都先后開展了機器人技術(shù)的研究，并在多足步行機器人技術(shù)的發(fā)展上也取得了較大的成果。隨著對多足步行機器人的研究的日益深入和發(fā)展，多足步行機器人在速度、穩(wěn)

20、定性、機動性和對地面的適應能力等方面的性能都在不斷提高?？偟膩碚f，多足步行機器人主要具有以下優(yōu)點：第1、 多足步行機器人的運動軌跡是一系列離散的足印，運動時只需要離散的點接觸地面，對環(huán)境的破壞程度也較小，可以在可能到達的地面上選擇最優(yōu)的支撐點以適應崎嶇地形。第2、 多足步行機器人的腿部具有多個自由度，使運動靈活性大大增強。它可以通過調(diào)節(jié)腿的長度保持身體平衡，也可以通過調(diào)節(jié)腿的伸展程度調(diào)整重心位置，穩(wěn)定性高，不易翻倒。第3、 多足步行機器人的身體與地面是分離的，這樣可以使運動系統(tǒng)具有隔振能力，機器人的身體可以平穩(wěn)地運動而不用考慮地面的粗糙程度和腿的放置位置。第4、 多足步行機器人在不平路面和松軟

21、路面上的運動速度較高，能耗少。 當然，多足步行機器人也存在一些不足之處,當今多足步行機器人仍然面臨很多亟待解決的問題：第一、有些多足步行機器人的體積和重量很大。在實際應用中未必有足夠大的空間能夠容納它們或者根本不允許體積較大的機器人出現(xiàn)，并且為使腿部協(xié)調(diào)穩(wěn)定運動，從機械結(jié)構(gòu)設計到程序控制系統(tǒng)都比較復雜。從實用化角度出發(fā)，這類多足步行機器人在小型化方面還需要進行更深入的研究和改進。尤其是機械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)硬件電路、電源系統(tǒng)、傳感器等，需要尋找體積更小、效率更高的替代品。第二、大多數(shù)多足步行機器人研究平臺的承載能力不強，從而導致它們沒有能力承載視覺設備。而且多足步行機器人的視覺研究也不太成熟，而視

22、覺正是多足步行機器人實現(xiàn)自主化和智能化的關鍵之一。要解決這個問題，首先還需改進現(xiàn)有多足步行機器人的機械機構(gòu)設計，使其能夠承受更大的負載；其次是改進視覺圖像處理的算法，增強圖像處理的實時性、快速性和準確性。第三、步行敏捷性方面。多足步行機器人有很好的地面適應能力，但在某些地貌，其行走效率很低，而且在機器人動步態(tài)步行方面的研究比較缺乏。這就提出機器人動步行步態(tài)規(guī)劃問題。因此多足步行機器人對地面的適應性和運動的靈活性需要進一步提高。隨著計算機和智能化的不斷進步和實現(xiàn)，使多足步行機器人具備更加廣闊的應用前景，多足步行機器人將在更多場合和更加特殊環(huán)境中使用?？v覽當前多足步行機器人的發(fā)展，多足步行機器人有

23、以下幾個值得關注的趨勢： 1、 多足步行機器人群體協(xié)作。 多個多足步行機器人協(xié)調(diào)合作共同完成某項任務。與單個多足步行機器人相比，多個多足步行機器人的總負荷更大，可以攜帶的儀器和工具更多，功能性更強。它們之間通過通信進行協(xié)調(diào)，也可以按照某種規(guī)則指定主機器人和從機器人，從而按照一定的隊形和順序?qū)δ繕诉M行不同的測量和操作。而當其中某一多足步行機器人出現(xiàn)故障時，其它機器人還可以照常工作，大大提高了工作效率和可靠性。2、 多足步行機器人的智能化。傳統(tǒng)步態(tài)規(guī)劃的方法是在機器人逆運動學的基礎上，并且己知步行環(huán)境，來計算機器人各驅(qū)動關節(jié)轉(zhuǎn)角的。這就提出了在機器人對未知環(huán)境的識別后，具有普遍實用意義的智能化的自

24、主步態(tài)規(guī)劃生成及控制的研究， 以及對機器人實現(xiàn)步行空間精度定位問題的研究。3、 多足步行機器人的模塊化和可重組。針對不同的工作環(huán)境，機器人需要根據(jù)環(huán)境的變化對自己的姿態(tài)進行調(diào)整。而模塊化設計的多足步行機器人則可以根據(jù)環(huán)境的不同進行自重構(gòu)。自重構(gòu)多足步行機器人比起固定結(jié)構(gòu)的多足步行機器人對地形的適應性更強，可應用的場合更多。因此，自重構(gòu)機器人是多足步行機器人的發(fā)展方向之一。多足步行機器人的主要研究成果和產(chǎn)品 隨著科學技術(shù)的快速發(fā)展，科學家研制出各種機器人，數(shù)百種不同結(jié)構(gòu)、不同控制系統(tǒng)、不同用途的機器人都已進入了實用化階段。近些年來，由于資源短缺問題日益嚴重，很多國家和學者紛紛投入到海洋開發(fā)、星際

25、探索等中去，由于多足步行機器人對復雜、未知環(huán)境的獨特適應能力，以及其靈活、全方位運動的特點，使其在海洋開發(fā)、星際探索等領域得到了廣泛的應用。 所謂多足一般指四足及四足其以上，常見的多足步行機器人包括四足步行機器人、六足步行機器人、八足步行機器人等。國內(nèi)多足步行機器人的研究成果 1991年，上海交通大學馬培蓀等研制出JTUWM系列四足步行機器人。JTUWM-III是模仿馬等四足哺乳動物的腿外形制成，每條腿有3個自由度，由直流伺服電機分別驅(qū)動。在進行步態(tài)研究的基礎上，通過對3個自由度的協(xié)調(diào)控制，可完成單腿在空間的移動。該機器人采用計算機模擬電路兩級分布式控制系統(tǒng)，JTUWM-III以對角步態(tài)行走，

26、腳底裝有PVDF測力傳感器，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡和模糊算法相結(jié)合，采用力和位置混合控制，實現(xiàn)了四足步行機器人JTUWM-III的慢速動態(tài)行走，極限步速為1.7km/h。為了提高步行速度，將彈性步行機構(gòu)應用于該四足步行機器人，產(chǎn)生緩沖和儲能效果。  2000年，上海交通大學馬培蓀等對第一代形狀記憶合金SMA驅(qū)動的微型六足機器人進行改進，開發(fā)出具有全方位運動能力的微型雙三足步行機器人MDTWR。其第一代的每條腿只有2個自由度，無法實現(xiàn)機器人的轉(zhuǎn)向，只能進行直線式靜態(tài)步行，平均行走速度為1mm/s。將機體的主體部分進行改進設計，由上下兩層相互平行的三叉支架組成，將六足改進為雙三足，引入身體轉(zhuǎn)動

27、關節(jié)，采用新型的組合偏動SMA驅(qū)動器，使新一代的微型雙三足步行機器人MDTWR具有全方位運動能力。 2002年，上海交通大學的顏國正、徐小云等進行微型六足仿生機器人的研究。該步行機器人外形尺寸為：長30mm，寬40mm，高20mm，質(zhì)量僅為6.3kg，步行速度為3mm/s。他們在分析六足昆蟲運動機理的基礎上，利用連桿曲線圖譜確定行走機構(gòu)的尺寸，采用微型直流電機、蝸輪蝸桿減速機構(gòu)和皮帶傳動機構(gòu)，在步態(tài)和穩(wěn)定性分析的基礎上，進行控制系統(tǒng)軟、硬件設計，步行實驗結(jié)果表明，該機器人具有較好的機動性。2003年哈爾濱工程大學的孟慶鑫、袁鵬等進行了兩棲仿生機器蟹的研究，從兩棲仿生機器蟹的方案設計到控制框架構(gòu)

28、建，研究了多足步行機的單足周期運動規(guī)律，提出適合于兩棲仿生機器蟹的單足運動路線規(guī)劃方法，并從仿生學角度研究了周期性節(jié)律性的多足步行運動的控制問題，建立了生成周期運動的神經(jīng)振蕩子模型。 國外多足步行機器人的研究成果國外對于多足仿生機器人的研究較早，技術(shù)比較成熟的主要有美國、德國、日本。其中美國所設計的多足機器人已經(jīng)達到了實戰(zhàn)的要求。近年來公布的資料顯示美國國家航空和宇宙航行局（NASA）制作了一系列用于執(zhí)行太空任務的多足機器人將研究其推向了很高的領域和高度。下面介紹一下國外做的一些技術(shù)相對完善的多足機器人，這也是在設計過程中主要參考的對象。為了盡量減少宇航員在惡劣的太空環(huán)境維護空間站受到的傷害，

29、急需研制一個空間機器人代替人進行太空作業(yè)。2005年，美國國家航空和宇宙航行局（NASA）下屬的噴氣推進實驗室研制成功了能在空間站外面自動運行的名為Lemur六足步行機器人。該機器人主要完成輔助宇航員完成空間站外部設備的檢修工作。Lemur是模仿螃蟹腿的結(jié)構(gòu)和章魚身體的外形特點設計的，它有六只復合的機械臂，如下圖所示，機械臂上裝有可折疊的工具，六只機械臂與機體相連如圖所示。Lemur每只機械臂具有四個運動自由度和一個操作自由度，分別是肩部三個方向轉(zhuǎn)動自由度，肘部一個俯仰自由度和機械手爪的抓取自由度。目前共研制了兩個型號，按照Lemur的比例擴大的版本Lemur Iia，可以幫助宇航員在太空中建

30、設較大的建筑物。 Lemur復合機械臂和Lemur六足步行機器人“大狗”是美國武器合約商波士頓動力公司（Boston Dynamics）研發(fā)的一款科技含量非常高的運輸機器人，“大狗”高約1米，重75kg采用汽油發(fā)動機驅(qū)動。有四只強有力的腿，每條腿有三個靠傳動裝置提供動力的關節(jié)，并有一個“彈性”關節(jié)。這些關節(jié)由一個機載計算機處理器控制。它體內(nèi)裝有維持機身平衡的回轉(zhuǎn)儀，內(nèi)力傳感器等，可探測到地勢變化，根據(jù)情況做出調(diào)整。它的最高負載量可達340磅，以每小時4英里的速度行走，而且可在丘陵地形上攀登前行，全靠本身的立體視覺系統(tǒng)或遠程遙控器確認路徑。還有驚人的平衡能力，即使是挨上重重的一腳，它也能馬上恢復

31、。視頻中機器人在光滑的冰上行走時它數(shù)次幾乎摔倒，但最終都保持住了平衡狀態(tài)。視頻還顯示了機器人應付不同地形的能力，它能沿著陡峭的山坡爬上去爬下來，在多石、泥濘和雪地上行走。視頻的末尾顯示了它的超強跳躍能力，可以跳躍腳下差不多1米寬的距離。 機器人“大狗”美國波士頓動力工程公司（Boston Dynamics）開發(fā)了一款世界上跑得最快的機器人“獵豹”，它能用四條腿以時速每小時18英里(約合每小時29公里)的速度奔跑，打破了有腿類機器人的速度記錄。獵豹機器人高2英尺，長3英尺，裝配著一系列高科技裝備，其中包括：激光陀螺儀、照相機和隨載計算機。這款四腿機械機器人具有靈活的脊椎和鉸接式頭部，能夠沖刺，急

32、轉(zhuǎn)彎，并能突然急剎停止，運動方式完全以獵豹等自然界奔跑迅速的動物為模本，設計原型已列入美國國防部高級研究計劃局高級機器人兵工廠裝備。 機器人“獵豹” 如圖所示的是設在弗吉尼亞州的美國海軍研究局開發(fā)的八足仿生機器龍蝦，它能夠像真龍蝦一樣適應不規(guī)則的海底，在不同的深度敏捷地行動，并且應付洶涌的波濤和變化的海流。從天線和體毛傳感器獲得的信號在它計算機化的“大腦”中進行處理，并且用來控制其仿生肌肉。機器人共有24個自由度，采用鎳鈦諾形狀記憶合金材料制成的細棍作為線性驅(qū)動器驅(qū)動，通電加熱時肌肉就縮短，使龍蝦的腿向上運動，一旦冷卻就可以恢復原來的形狀，這樣交替地加熱及冷卻就可以復制龍蝦腿的運動，實現(xiàn)浮游爬

33、行動作，頭部裝有的兩個鉗子可以起到液動控制舵的作用，機器人由電池供電，以半自主方式工作，發(fā)現(xiàn)水雷會發(fā)出聲納警報，與尾部的水流動力控制平面一起可以使其在行走和作業(yè)過程中保持穩(wěn)定。機器人頭部的兩個“觸須”為靈敏度極高的防水天線，使其具備感知障礙物的功能。 八足仿生機器龍蝦索尼公司犬型機器人愛寶（AIBO） “果醬”是一種形體可以改變的機器人。當需要時，它能夠進行固體和液體轉(zhuǎn)換，從門縫或小洞進入敵方室內(nèi)執(zhí)行任務?！肮u”有6條腿，是用一種特殊的“果醬”材料制成，身體各部分都是柔軟的，能夠根據(jù)需要變換體形。它的核心技術(shù)是兼有固體和液體性能的“果醬”技術(shù)。 一種類似鴕鳥的機器人。它有兩條腿，能夠在地面飛

34、快地奔跑，能在15秒之內(nèi)從靜止加速到32千米/小時，最大時速43千米，這個速度奧運會冠軍也很難達到。之所以叫鴕鳥，是因為該項目的所有靈感都來自鴕鳥。按照計劃，該機器人于2012年制造并測試。 四足式移動機器人簡介 曾長期做為人類主要交通和運輸工具的驢、馬、牛、駱駝等四足動物因其優(yōu)越的野外行走能力和負載能力自然是人們研究足式機器人的重點仿生對象，因而四足式機器人在移動機器人中占有很大比例，并且從運動穩(wěn)定性、控制難易程度和制造成本等方面綜合考慮，四足移動機器人是最佳的足式機器人。 20世紀60年代，四足步行機器人的研究工作才開始起步。隨著計算機技術(shù)和機器人控制技術(shù)的研究和應用，到了20世紀80年代

35、，現(xiàn)代四足步行機器人的研制工作進入了廣泛開展階段。 世界上第一臺真正意義的四組步行機器人是由Frank和McGhee于1977年制作的。該機器人具有較好的步態(tài)運動穩(wěn)定性，但缺點是該機器人的關節(jié)是由邏輯電路組成的狀態(tài)機控制的，因此機器人的運動受限制，只能呈現(xiàn)固定的運動形式。 20世紀80、90年代最具代表性的四足步行機器人是日本Shigeo Hirose實驗室研制的TITAN系列。從80年開始至今已研制出3個系列12款四足機器人。第一代四足移動機器人KUMO-I外形似長腿蜘蛛，它是世界上第一個具有自主行走的現(xiàn)代足式機器人。隨后研制成功世界上第一個能上下爬行樓梯的四足機器人PV-II。1

36、981至1984年Hirose教授研制成功腳步裝有傳感和信號處理系統(tǒng)的TITAN-III。它的腳底步由形狀記憶合金組成，可自動檢測與地面接觸的狀態(tài)。姿態(tài)傳感器和姿態(tài)控制系統(tǒng)根據(jù)傳感信息做出的控制決策，實現(xiàn)在不平整地面的自適應步行。另一款有特點的機型是90年代研制的TITAN-VI，TITAN-VI機器人采用新型的直動性腿機構(gòu)，避免了上樓梯過程中兩腿的干涉，并采用兩級變速驅(qū)動機構(gòu)，對腿的支撐相和擺動相分別進行驅(qū)動。 2000-2003年，日本電氣通信大學的木村浩等人研制成功了具有寵物狗外形的機器人Tekken-IV，它的每個關節(jié)安裝了一個光電碼盤、陀螺儀、傾角計和觸覺傳感器。系統(tǒng)控制是由基于CP

37、G的控制器通過反射機制來完成的。Tekken-IV能夠?qū)嵕€不規(guī)則地面的自適應動態(tài)步行，顯示了生物激勵控制對未知的不規(guī)則地面有自適應能力的優(yōu)點。它的另一特點是利用了激光和CCD攝像機導航，可以辨別和避讓前方存在的障礙，能夠在封閉回廊中實現(xiàn)無碰撞快速行走。 目前最具代表性的四組步行機器人是美國Boston dynamics實驗室研制的BigDog它能以不同的步態(tài)在惡劣的地形上攀爬，可以負載高達52KG的重量，爬升斜坡可達35°。其腿關節(jié)類似動物腿關節(jié)，安裝有吸收震動部件和能量循環(huán)部件。同時，腿部連有很多傳感器，其運動通過伺服電機控制。該機器人機動性和反應能力都很強，平衡能力極佳

38、。但由于汽油發(fā)電機需攜帶油箱，故工作時受環(huán)境影響大，可靠性差。另外，當機器人行走時引擎會發(fā)出怪異的噪音。 國內(nèi)四足機器人研制工作從20世紀80年代起步，取得一定成果的有上海交通大學、清華大學、哈爾濱工業(yè)大學等。 上海交通大學機器人研究所于1991年開展了JTUWM系列四足步行機器人的研究。1996年該研究所研制成功了JTUWM-III，該機器人采用開式鏈腿機構(gòu)，每個腿有3個自由度，具有結(jié)構(gòu)簡單，外形輕巧，體積小，質(zhì)量輕等特點。它采用力和位置混合控制，腳底裝有PVDF測力傳感器，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡和模糊算法相結(jié)合，實線了對角動態(tài)行走。但行走速度極慢，極限步速僅為1.7KM/h，另外其負重能力有限，

39、故在實際作業(yè)時實用性較差。 清華大學所研制的一款四足步行機器人，它采用開環(huán)關節(jié)連桿機構(gòu)作為步進機構(gòu)，通過模擬動物的運動機理，實現(xiàn)比較穩(wěn)定的節(jié)律運動，可以自主應付復雜的地形條件，完成上下坡行走，越障等功能。不足之處是腿運動時的協(xié)調(diào)控制比較復雜，而且承載能力較小。 綜上所述，在四足機器人研究方面，美國，日本的研究最具代表性，其技術(shù)水平已經(jīng)較為先進，實用化程度也在不斷提高。國內(nèi)四足步行機器的研究起步比較晚，在上個世紀90年代以后才逐漸有了成果，研究水平距世界先進水平還有差距。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，研究者們對四足步行機器人的關鍵技術(shù)做了大量的分析和實踐，在一些基礎理論上也取得了很大突破，四足步行機器人的技

40、術(shù)水平不斷提高，使四足機器人也從一些傳統(tǒng)的服務行業(yè)走向家居、醫(yī)療和特種（如排爆、反恐）領域。概括的來說，世界各國所研制的四足機器人主要有三種類型的應用：（1） 作為試驗研究的開發(fā)使用，如各大學機器人實驗室研究的步行機器人；（2） 應用到一些特殊場合，如水下探測、火山探測、星際探索等；（3） 作為商業(yè)用途，如AIBO機器狗。 隨著計算機和機械設計制造技術(shù)的不斷發(fā)展及在機器人研究方面的應用，四足機器人的研究也將步入新的發(fā)展階段，觀察國內(nèi)外四足機器人的研究可以發(fā)現(xiàn)，對四足步行機器人的研究有以下趨勢：（1） 實現(xiàn)腿機構(gòu)的高能，高效性； （2）輪，足運動相結(jié)合； （3）步行機器人微型

41、化；（4）增強四足步行機器人的負載能力； （5）機器人仿生的進一步深化。雙足步行機器人“行走”運動分析雙足步行機器人的機構(gòu)是所有部件的載體，也是設計兩足步行機器人最基本的和首要的工作。它必須能夠?qū)崿F(xiàn)機器人的前后左右以及爬斜坡和上樓梯等的基本功能，因此自由度的配置必須合理。首先分析一下步行機器人的運動過程(前向)和行走步驟:重心右移(先右腿支撐)、左腿抬起、左腿放下、重心移到雙腿中間、重心左移、右腿抬起、右腿放下、重心 移到雙腿間，共分8個階段。從以上機器人步行過程可以看出:機器人向前邁步時，髓關節(jié)與踝關節(jié)必須各自配置有一個俯仰自由度以配合實現(xiàn)支撐腿和上軀體的移動，要實現(xiàn)重心轉(zhuǎn)移，髖關

42、節(jié)和踝關節(jié)的偏轉(zhuǎn)自由度是必不可少的，如圖為三個自由度機器人運動簡圖，它的運動模型是平面的，沒有側(cè)向運動，不能保持動態(tài)平衡，屬于完全動態(tài)機器人，只能在斜坡上行走。 三個自由度步行機器人運動示意圖機器人要達到目標位置，有時必須進行轉(zhuǎn)彎，所以需要有髖關節(jié)上的轉(zhuǎn)體自由度。在三個自由度的基礎上再添加一個轉(zhuǎn)體(roll)自由度，如圖為四個自由度步行機器人運動示意圖，它的運動模型也是平面的，也沒有側(cè)向運動，它只可以在水平面上沿直線行走幾步，然后就會因為擺動腿著地時沖擊過大而跌倒。 四個自由度步行機器人運動示意圖要想使機器人能夠側(cè)向運動，需要在髖關節(jié)和膝關節(jié)分別再添加一個前向自由度和側(cè)向旋轉(zhuǎn)自由度，它的側(cè)面運

43、動是一個倒立擺動模型，側(cè)向關節(jié)使它在行走時保持側(cè)向平衡。這種機器人可以在水平地面和斜坡上行走。如圖為八個自由度步行機器人行走示意圖。 八個自由度步行機器人運動示意圖如果在膝關節(jié)處配置一個俯仰自由度以調(diào)整擺動腿的著地高度，使機器人能夠上下臺階，實現(xiàn)不同的步態(tài)。這樣在膝關節(jié)再加上2個俯仰(pitch)和偏轉(zhuǎn)(yaw)自由度，每條腿變成6個自由度，兩條腿共12個自由度。髖關節(jié)、膝關節(jié)和踝關節(jié)的俯仰自由度共同協(xié)調(diào)動作可完成機器人的在縱向平面(前進方向)內(nèi)的直線行走功能；髖關節(jié)的轉(zhuǎn)體自由度可實現(xiàn)機器人的轉(zhuǎn)彎功能；髖關節(jié)和踝關節(jié)的偏轉(zhuǎn)自由度協(xié)調(diào)動作可實現(xiàn)在橫向平面內(nèi)的重心轉(zhuǎn)移功能。如圖為12自由度步行機器

44、人運動示意圖。 12自由度步行機器人運動示意圖下圖為機器人的自由度具體配置示意圖。 雙足步行機器人自由度具體配置示意圖雙足步行機器人行走機構(gòu)設計雙足步行是步行方式中自動化程度最高、最為復雜的動態(tài)系統(tǒng)。雙足步行系統(tǒng)具有非常豐富的動力學特性，對步行的環(huán)境要求很低，既能在平地上行走，也能在非結(jié)構(gòu)性的復雜地面上行走，對環(huán)境有很好的適應性。與其它足式機器人相比，雙足機器人具有支撐面積小，支撐面的形狀隨時間變化較大，質(zhì)心的相對位置高的特點。雖然雙足式步行機器人步態(tài)是足式機器人中最復雜、控制難度最大的動態(tài)系統(tǒng)，但由于雙足機器人比其它足式機器人具有更高的靈活性，因此具有自身獨特的優(yōu)勢，更適合在人類的生活或工作

45、環(huán)境中與人類協(xié)同工作，而不需要專門為其對這些環(huán)境進行大規(guī)模改造。例如代替危險作業(yè)環(huán)境(如核電站內(nèi))的工作人員，在不平整地面上搬運貨物等等。此外將來社會環(huán)境的變化使得雙足機器人在護理老人、康復醫(yī)學以及一般家務處理等方面也有很大的潛力。 行走機構(gòu)是足式機器人的關鍵技術(shù)，由于步行運動中普遍存在結(jié)構(gòu)對稱性，所以要求設計雙足機器人的腿部機構(gòu)必須是對稱的，為保證傳動精度和效率，在設計雙足機器人腿部機構(gòu)時，要求其關節(jié)軸系的結(jié)構(gòu)必須緊湊，并且必須保證提供必要的輸出力矩和輸出速度，以滿足機構(gòu)動態(tài)步行運動速度和承載能力。 本文介紹一種雙足機器人實現(xiàn)直線行走、靜態(tài)轉(zhuǎn)彎及上下樓梯運動的腿部結(jié)構(gòu)設計，為使雙足機器人達到

46、設計目標，“腿部關節(jié)”必須滿足以下要求：1. 前向轉(zhuǎn)動關節(jié)：關節(jié)軸線位于側(cè)向平面內(nèi)，可以使機器人在前向平面內(nèi)運動；2. 左右側(cè)擺關節(jié)：關節(jié)軸線位于前向平面內(nèi)，可以使機器人在側(cè)向平面內(nèi)運動；3. 轉(zhuǎn)彎關節(jié)：軸線為鉛垂線，可以使機器人做左右轉(zhuǎn)彎動作。 如圖為機器人行走方向示意圖，機器人可以完成前進、后退、平地側(cè)行、轉(zhuǎn)彎、爬斜坡和跨越障礙運動。 要使機器人滿足以上運動要求，腿部機構(gòu)必須要有12個自由度，如圖為雙足機器人的腿部自由度的配置。髖關節(jié)處要有3個自由度，分別可以實現(xiàn)前向、側(cè)向和轉(zhuǎn)彎動作；膝關節(jié)處只有一個自由度，完成前向運動；踝關節(jié)處有兩個自由度，實現(xiàn)前向和側(cè)向動作。 腿部自由度配置為減小機器

47、人體積、減輕重量，并保證一定強度，整個行走機構(gòu)采用1mm的鋁合金鈑金框架結(jié)構(gòu)，框架具體的設計要有效利用RC伺服電機的尺寸大?。C器人的各關節(jié)采用RC伺服電機驅(qū)動），使電機的活動范圍盡量符合各關節(jié)的活動范圍。如圖為雙足步行機器人腿部結(jié)構(gòu)。腿部底端兩個寬大的“腳掌”可以增加機器人的穩(wěn)定性，但也不宜過大，否則會影響其靈活性。腿部結(jié)構(gòu)單足彈跳式機器人彈跳機構(gòu)設計當前，移動機器人的應用范圍日益廣泛，甚至已經(jīng)深入至很多“特殊”領域，比如考古探測、星際探索、軍事偵察和反恐行動等。足式移動機器人能夠適應凸凹不平的地面環(huán)境，比其它移動機器人的應用更加普遍，但是遇到障礙物時，普通的足式機器人就無能為力了，必須將機

48、器人做成彈跳式。彈跳機器人可以輕松越過障礙物，特別適用于未知、崎嶇地形，在星際探索、反恐等方面有著不可替代的作用。彈跳機構(gòu)彈跳機器人的研究靈感來源于動物，比如青蛙的跳躍運動就是一個很好的參照模仿對象。青蛙的前腳比后腳短而細，它們不怎么走動或爬行，經(jīng)常通過跳躍來移動。青蛙跳躍之前由前腳的移動來調(diào)整姿態(tài)，通過后腿發(fā)達的肌肉產(chǎn)生跳躍的能量。根據(jù)這樣的啟示，可以設計出彈跳模型如下圖所視。 彈跳機構(gòu)模型簡圖下圖為彈跳腿原理圖。機構(gòu)的方向齒輪相當于青蛙的前腳，通過和底部齒盤的配合以調(diào)整機器人姿態(tài)。機構(gòu)中彈簧代表用來儲能和釋放能量的彈性裝置。 彈跳原理圖 平衡機構(gòu)彈跳機器人在彈跳過程中很可能“摔倒”，必須為

49、機器人添加平衡設計，以保證彈跳能夠持續(xù)進行。機構(gòu)的平衡方式有很多種，最簡單的方法是降低機構(gòu)重心，為降低機器人重心，可以減小單足彈跳機器人的高度或這在機器人底部添加重塊，也可以將機器人底部設計成類似于不倒翁的圓形支撐足，這樣就能使機器人在彈跳或者落地后修正姿態(tài)，保持平衡，準備下一次彈跳。單足彈跳式機器人如圖為單足式彈跳式機器人彈跳過程示意圖，中間彈性裝置連接機器人上、下兩部分結(jié)構(gòu)，底部結(jié)構(gòu)裝有起著平衡穩(wěn)定作用的質(zhì)量塊。跳起前彈性裝置處于“放松”狀態(tài)，當啟動驅(qū)動機構(gòu)時，彈性裝置收緊并鎖定，然后釋放，在彈性體的作用下整個機構(gòu)跳起，在重力作用下機構(gòu)還會落回地面，落地后由于質(zhì)量塊的的平衡使機構(gòu)保持穩(wěn)定，

50、準備再次跳起。 單足式彈跳式機器人彈跳過程示意圖多足移動機器人單步行組足結(jié)構(gòu)設計目前機器人研究的領域已經(jīng)從結(jié)構(gòu)環(huán)境下的定點作業(yè)中走出來，向航天航空、星際探索、軍事偵察攻擊、水下地下管道、疾病檢查治療、搶險救災等非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的自主作業(yè)方面發(fā)展，同時新的需求和任務也對機器人的性能提出了更高要求。通過對這些自主作業(yè)環(huán)境特點進行研究我們可以發(fā)現(xiàn)，不規(guī)則和不平坦的非結(jié)構(gòu)環(huán)境成為這些作業(yè)任務的共同特點，這樣就使輪式機器人和履帶式機器人的應用受到極大的限制，多足仿生機器人也就應運而生。多足仿生機器人因其天生具有多關節(jié)、多冗余自由度、多種運動模式的特性，使其特別適合在復雜環(huán)境下完成搜救、偵查、排除爆炸物和星際

51、探索等任務。多足步行機器人的腿部機構(gòu)是機器人的重要組成部分，是機械設計的關鍵之一，腿部性能的好壞直接決定著機器人功能的可行性。從某種意義上說，對多足步行機器人機構(gòu)的分析主要集中在對其腿機構(gòu)的分析。一般地，從機器人結(jié)構(gòu)設計要求看，腿機構(gòu)不能過于復雜，桿件過多的腿機構(gòu)形式會引起結(jié)構(gòu)和傳動的實現(xiàn)產(chǎn)生困難。因此,對多足步行機器人腿機構(gòu)的基本要求可以歸納為：1.實現(xiàn)運動的要求；2.滿足承載能力的要求；3.結(jié)構(gòu)實現(xiàn)和方便控制的要求。為了設計行走機構(gòu)的結(jié)構(gòu)，我們首先引入空間自由的的概念： 一個桿件（剛體） ，在空間上完全沒有約束，那么它可以在3個正交方向上平動， 還可以有三個正交方向的轉(zhuǎn)動，那么就有6個自由

52、度。若在二維空間中有n個完全不受約束的物體，選其中的一個為固定參照物，因每個物體相對參照物都有6個運動自由度，則n個物體相對參照物共有6(n-1)個運動自由度，若在所有的物體之間用運動副聯(lián)接起來，設第1個運動副的約束為i，如果所有n個物體之間的運動副數(shù)目為m，這時的運動自由度應減去所有的約束數(shù)的總和。一般地， 多足步行機器人能實現(xiàn)靈活的行走動作， 其腿機構(gòu)至少必須有兩個自由度， 即前后的擺動和上下的抬放運動。構(gòu)成兩個自由度地方法可以都采用回轉(zhuǎn)副，或是采用 一個回轉(zhuǎn)副和一個可伸縮的移動副，還有就是采用兩個移動副，將前后的擺動變?yōu)榍昂蠡啤５窍肜猛鹊霓D(zhuǎn)動改變前進方向，或是在原地旋轉(zhuǎn)，那腿部機構(gòu)

53、就至少三個自由度，即在兩個自由度腿上加一個水平旋轉(zhuǎn)自由度。如下圖為昆蟲一腿部模型圖，昆蟲有3對足，在前胸、中胸和后胸各有一對，我們相應地稱為前足、中足和后足。每個足由基節(jié)、轉(zhuǎn)節(jié)、腿節(jié)、脛節(jié)、跗節(jié)和前跗節(jié)幾部分組成?；?jié)是足最基部的一節(jié)，多粗短。轉(zhuǎn)節(jié)常與腿節(jié)緊密相連而不活動。腿節(jié)是最長最粗的一節(jié)。第四節(jié)叫脛節(jié)，一般比較細長，長著成排的刺。第五節(jié)叫跗節(jié)，一般由2-5個亞節(jié)組成，為的是便于行走，在最末節(jié)的端部還長著兩個又硬又尖的爪，可以用它們來抓住物體。昆蟲腿部有多個自由度，可以在前后和上下方向移動，也可以向任意方向轉(zhuǎn)動。設計機器人足部結(jié)構(gòu)時，可以模仿昆蟲腿部模型，并將其簡化為根節(jié)、腿節(jié)、脛節(jié)三部分

54、。 昆蟲腿部模型圖本文介紹一種機器人的的重量不多于20kg,在水平地面上以平均速度0.1m/s直線行走的步行機器人單步行足的結(jié)構(gòu)設計。如圖為一單步行足完成一次行走的示意圖，行走機構(gòu)由連接桿組成，腿與地面作用產(chǎn)生前進方向的運動力，踝關節(jié)可以實現(xiàn)行走所需的前后和上下方向擺動，膝關節(jié)可以實現(xiàn)腿的轉(zhuǎn)動改變前進方向。 單步行足行走結(jié)構(gòu)示意圖當多足機器人行走時，足尖與地面接觸會產(chǎn)生沖擊，沖擊力過大時會對整個機構(gòu)的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)剛性有很大影響。為減小足尖與地面的沖擊對機體的影響，可以在足尖處添加一種雙緩沖彈性結(jié)構(gòu)，如圖為雙緩沖彈性足尖結(jié)構(gòu)圖。當足尖加速沖擊地面時，首先起緩沖作用的是由聚氨酯（橡膠）制成的減震球1，它的減震效果十分明顯，而且具有三維延遲復原的特點，特別適合做機器人足尖使用。第二道緩沖措施就是利用彈簧2緩沖，外力通過足尖傳遞給滑塊4，然后由滑塊4把力傳遞給彈簧，為了防止滑塊4在滑槽內(nèi)卡死使彈簧起不到緩沖的作用，把滑塊4材料選擇具有自潤滑性能的聚四氟乙烯，它的摩擦系數(shù)非常的小所以在滑槽內(nèi)滑動所受到的阻力也特別的小，基本不會出現(xiàn)卡死的現(xiàn)象。 1足尖滑槽 2彈簧 3聚四氟乙烯滑塊 4螺紋連接柱 5減震足尖 彈性足尖結(jié)構(gòu)圖 下圖為步行足結(jié)構(gòu)圖，材料采用密度較輕的鋁合金，關節(jié)連接板的作用是連接各模塊化關節(jié)，傳遞運動和