四足步行机
器人
的运动和
结构设计
上海交
通大学马
培荪陆顺寿
何奇
伟
步
探讨和
分析
摘
要
步行机器人
性能优
劣在很大程度上取
决
于步行
机器人的结构由于
步行机器
人研究
的
出发
点是模仿动
物的步行
所以在步
行机
器人运动和结构设
计时
必须考
虑机构
运动
灵活性重量能耗
及稳定
性等问
题
本文结合
四足步
行机器人
研究课题
探讨了步行
机器人
运动和结构
设计
方面的
一
些主要问题着重
对步行
机器人腿足的结
构转弯机构和
传动
机构
等几
方面
提出了
设计方法和
选择
原则二、
步行机器人
的组
成
一引言
众所周知步行比
轮式
移动
要复杂得多
步行
机器人
是利用
关节运动的步
行方式
来实
现类似于动
物那
样的
移动因此步
行机器
人的
发展经历
了
一个相当
长的时期
初期的步行
机械为实现腿的
机能
大
多采用涅
杆机构和动
力油缸
美国在制
定登
月
计划时曾
经对
可能的移动
机械
进行了
方
案
论证结
论是用纯
机械式
连杆结
构实现步
行很
不理想
以后步
行机械
从纯
机械式
逐步
转变成
机械和控制相
结合的
形式
目
前国
外已研究了
单足两足
三足
四足
五足
六足
八足
以及象
娱蚁那
样的
多足
机并
取
得了很
大成绩国
内在这
方面
的
研究还刚刚
起步因
此本文只
能在四足步
行机几
种模型和
实验
样机结
构设计的基础
上结合
研究课题
对步行机器人结构
设计
的
基本方法
存在的
一些主要问题进行初步行
机器人主要由
执行系统控制
系统
和检测系
统组成步行
机器
人执
行系统包
括
腿
机构
传动
机构转弯机
构和
机体腿
是
步行的执行
部件传动
机构
是驱动腿
运动的
执行
部件转弯机构是实现机体变换
运动
方
向的执行
部件机体是安
置各种执行
部件的
部件控制
系统是步
行机器
人动
作的指
挥系
统它
支配步行
机器人
按给
定的规
律
运动
存
贮并记
忆人给予的指
令系统和传感器
信
息根
据控制系
统的
信息对
执行系统发出指
令还可对步
行机器人的动
作进
行监视当
动
作有
错误或
发生故障时即
发出报警
信号
步
行机器
人的
检测
反馈系
统主要
包括外界
信息反馈和
内部
信息反馈外界信息
反
馈用
于
检测判断步
行地形的
情况
内部信息反
馈则
是检测控制动
作的伺
服反馈机构
三、
步
行机器人
腿
的结构研究
上海
大学工学院
机械系!
腿的
自由
度选择以及结
构
形式
腿
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
下对于平面
机构的腿在平面
内能
实现变步态步
行最
少需要两个自由
度
这时只能
作不改变方向的
直线
运动如腿
实
现固定步态步
行也
可采用
一个自由度对
一∀#一
∃%一!&∃%一∋&
∃%
&∃(&!∋
巾不包含
转弯机构
从步
行足
运动空间的
大小传动链效
率
的
高低
传动结构的
简易
轻巧制
造加工
的
方便
性驱动功率的利用程度
以及步行
机的灵活性诸因
素出
发经过分
析比较
选
择了重
力解棍式
直角坐
标形式的
缩放式
机构
∃
如图
∃%一!&
所示&
作为四足步行
机器人
的步
行
机构该机构
有三
个自由
度分别
为经
二刀“
三个方向的直线
移动足端)
的
可
达空间∃
又称
实用工
作空间&
是一
个长方
体
足
端)
坐标∃
∗+ &
∃见图∀
&与
二,
‘
方向驱动器直线位
移二。
,。 。
间
关系为
「“!−
.
“ !
/
“/
“式0了
又之
一以
,1
“1
2
之3
‘43
飞
、63
劣刀之7,
,63 ! !‘∀#∃!
%&
∋()∗
“+
‘一吕&,−.
坦,
−/01以
坐
标你刀2)
上二。
刀。二。
与坐
标∋
二,
犷矛)上
瑞夕
石才台间
关系为3
二台4
了蕊哥不
沸一3
,
台45+3
孟二
3。∋
2)
由
缩放式
机构
特性存在
如下关系
,6
一
平二+
+。,一
。+
二5+7
,
一
告3+∋
8)
由式
∋#)∋
2)
∋8)
可
解得
∋9)
图#两
自由度腿的结
构形
式二二
攀、。+
、
一嘴与。+
∋
:)
火月尸二二
一
立局
汾对‘
,;
神<−=
>
=
一
;’
6、6“
‘;≅
Α##
Β
二二冶滋
−
珍图2
单自由度
腿的结
构形式
于空间
运动
腿它至少需
要三个白
由度
这
时
它不再需要机
构转弯的
自由度步
行机器
人腿的
结构
形式
很多图#
所示
为两
自由
度
结构形式
图2
为
单自
由度
结构形式在图Χ∋Β令佃今
、Χ∋
粉邝)
图8
直角
坐标形式缩放式步
行机
构
一8Δ一