仿生四足机器人的设计
【】在自然界中，存在着许多危险的地方。例如火山，沼泽，矿灾救险和反恐斗争等。在这些困难来临的时候，通过人类不断探索与研究，需求一条可以抵制这些困难的可行方法。通过探索跟研究，人类发明了智能机器人，它的出现解决了上面所面临的困难。在此之中，仿生智能机器人的研究是最为成功的。它的杰出之处在于它的腿部结构。它可以像生物的腿一样能够在不同的环境下找到合适的支撑点。例如在山坡，山沟，沙地等复杂的路面上。截止到目前发布的仿生机器人是五花八门，包括四足仿生机器人，步行机器人等等，单从机器人的性能去分析，目前来讲四足机器人是其中最好的。本文通过大自然中生物的腿部结构及仿生学详细的介绍。对关节设计跟驱动的设计做了详细的阐述。我们借鉴目前为止所出现的仿生机器人和查阅分析相关科研成果，设计了不同以往的一种仿生机器人。
目录
一 绪论 4
（一）课题研究的背景与意义 4
（二） 国内外四组机器人 4
（三） 四足机器人的驱动比较 6
（四） 研究内容 7
二 四足机器人总体设计与分析 7
（一） 机器人的结构分类 7
（二） 哺乳动物的身体结构 8
（三） 整体结构 9
三 四足机器人的结构设计 9
（一） 腿部自由度的验证 9
（二） 机架及髓关节的设计 9
（三） 膝关节结构设计与分析 10
（四） 足部结构分析 11
四 结论与期望 12
（一） 主要结论 12
（二） 研究展望 12
致 谢 12
参考文献 13
一 绪论
（一）课题研究的背景与意义
在自然界中，存在许多危险的地方，如：火山，沼泽，矿灾救险和反恐斗争等。在这些困难来临的时候，通过人类不断探索与研究，需求一条可以低制这些困的可行方法。通过探索跟研究，人类发明了智能机器人，它的出现解决了上面所面临的困难。在此之中，仿生智能机器人的研究是最为成功的。从机器人出现以来，轮式和履带式机器人依靠着它的转移速率快、运动效率高、控制便利等长处，一直都是路面移动的首选款式。但其也有缺点，大自然中有接近一半的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
地方是现有滚轮式或者履带式机器人到达不了的，然而人和动物则可以通过自身的条件（腿部结构）到达大自然中任何地方。其中多足机器人最为突出。可以调整每一只脚的形状，以适应行走的恶劣条件，即使面临一些路面相对复杂的情况，例如沙地、山沟、山坡表面等复杂情况。仿生机器人的优点不仅仅是上面提到的那些，还有其他的一些优点：第一多足机器人的仿生学机构，可以像人类跟四足哺乳动物一样到达想要去地方。第二仿生机器人运动所产生的路线是一种叫做离散型的路线，运动时只需要离散的点接触地面即可，如此不仅对环境的破坏缩减，还可以采取更适合的支撑点。综上所述：我们把仿生学跟运动学相机结合，进一步把四足机器人的机构优化，侧重于四足动物的肢体结构特征，运动学，关节设计及驱动单元优化。设计一款可以行走的四足机器人，通过反复的验证，从而论证了本文的机构设计的部分是可行的。
（二） 四组机器人的阐述
四足机器人的历史悠远。最早是出现在上个世纪60年代，一名叫作Shigley的科学家研发了一种崭新的机器人。其腿部结构为对四连杆机构和凸轮机构的整体结构，在Shirley的研究基础之上，国际很多科学家研究这类构造和推行一系列的四足机器人原始模型[1]。 8年后，通用电气的莫舍和Liston共同开发的一款机器人被称为“行走的汽车”，如图1所示。此机器人的腿部架构所使用的动力是由一种叫做液压装置提供的。为了方便观察和分析它的运动轨迹跟数据，我们在它的腿部装有传感器。但是这种架构组织不能称之为第一代仿生四足机器人，因为它是一款由人控制的机器人，就像操控搬运重物的叉车一样。只是结构近似于四足机器人[2]。
在波士顿美国动力大学研究的大狗机器人问世过后，吸引了很多学者的注意，大狗机器不仅可以在平缓的道路上行走，还可以在坑洼不齐的山沟里行走。在此之后，美国波士顿电力公司又研制了一款最新型的智能四足行走机器人如图2所示。为了分析其的步态和躲避障碍的能力，2013年他们又对该机器人进行了优化和改造如图3所示。在此之后还颁布了一系列仿生机器人。
图1行走的卡车
图2 小狗机器人
图3 大狗机器人
国内在仿生机器人的研究领域不如与国外早，相关理论的提出也显的比较落后。实质性的研究理论也仅仅是从20世纪80年代末开始陆陆续续有提出。刚开始步入研究的时候，国家高新技术研究开发的2011号863计划表明我国正在对四足机器人做深入研究[3]。有许多大学也开始加入这个行列来。在此之前，大学发表的机器人形式也不尽相同。他们发表的四足机器人仅仅可以简单地在平缓的道路上行走。
由上海交通大学研究的仿生机器人，他们在原有的基础上，将仿生机器人的驱动单元位置进行优化。它的腿部结构属于混联结构，这样做的好处是能够降低腿部的整体重量，这类的四足机器人可以做动步态和静步态。尽管如此，每条腿有1个活动关节，3个被动关节，活动关节由4V直流电提供动力[45]。
（三） 四足机器人的驱动
为了让四足机器人的适应性提高，通过查阅资料跟实验证明，最终确定所设计的四足机器人采用的是仿生腿结构。能够让机器人运动起来，这个时候最离不开驱动，最常见的有三种驱动方法分别是：液压驱动、气动驱动、和马达驱动[6]。我们通过实验对比和分析，找出最适合我们四足机器人的驱动方案
液压驱动：事实上，我们大可以把液压驱动看作为流动性。液压启动的优点平稳，容易启动。可以完成频繁换向[7]。但其整个体系结构相对于比较复杂，主要包括机械结构、控制系统等。另外，因为流体介质具有可伸缩性能，目前位置无法保证动力恒定的传输，从而让系统的稳定性有所改变。会产生精度发生变化，随之产生的密封问题会造成大量的维修费用。这种驱动方式它适用于重载和大型工业设备，不适合小型步行机器人。
气动驱动：气压是由空气作为介质驱动的，虽然它的质量轻，但压力的存在使位置精度变低，对于气压启动，密封性能很好。气压驱动的优点是：能源费用低，工作要求低。气压驱动存在的缺点是动力不足，设备庞大。另外，考虑到气体的可压缩性，泄漏问题成为最致命的缺点。随之造成的影响也最为致命的。所以我们排除采取气压驱动方式。
电机驱动：我们通俗来讲就是马达。我们为了达到四足机器人膝关节出的力矩要求，所以最终我们将采用电机驱动。电机驱动的长处是：操作简单，信号容易反馈，驱动力矩大[89]。结合我们设计的目的，为了让四足机器人的环境适应性高，操作灵活方便。通过对液压驱动、气压驱动和电机驱动这三种驱动方式进行比较，综合考虑成本、优缺点等等利弊，最终选择电机驱动作为我们设计的驱动单元。
（四）研究内容
在撰写本文之前，做了大量的相关资料的查询、总结和研究。为了让机械结构和功能达到理想的状态，我们通过实验的多次比较与分析。主要研究内容如下：
1. 主要对仿生机器人的研究的现状进行详细的介绍。对四足机器人驱动方案做了对比与分析，最终选择适合我们四足机器人的驱动方案。
目录
一 绪论 4
（一）课题研究的背景与意义 4
（二） 国内外四组机器人 4
（三） 四足机器人的驱动比较 6
（四） 研究内容 7
二 四足机器人总体设计与分析 7
（一） 机器人的结构分类 7
（二） 哺乳动物的身体结构 8
（三） 整体结构 9
三 四足机器人的结构设计 9
（一） 腿部自由度的验证 9
（二） 机架及髓关节的设计 9
（三） 膝关节结构设计与分析 10
（四） 足部结构分析 11
四 结论与期望 12
（一） 主要结论 12
（二） 研究展望 12
致 谢 12
参考文献 13
一 绪论
（一）课题研究的背景与意义
在自然界中，存在许多危险的地方，如：火山，沼泽，矿灾救险和反恐斗争等。在这些困难来临的时候，通过人类不断探索与研究，需求一条可以低制这些困的可行方法。通过探索跟研究，人类发明了智能机器人，它的出现解决了上面所面临的困难。在此之中，仿生智能机器人的研究是最为成功的。从机器人出现以来，轮式和履带式机器人依靠着它的转移速率快、运动效率高、控制便利等长处，一直都是路面移动的首选款式。但其也有缺点，大自然中有接近一半的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
地方是现有滚轮式或者履带式机器人到达不了的，然而人和动物则可以通过自身的条件（腿部结构）到达大自然中任何地方。其中多足机器人最为突出。可以调整每一只脚的形状，以适应行走的恶劣条件，即使面临一些路面相对复杂的情况，例如沙地、山沟、山坡表面等复杂情况。仿生机器人的优点不仅仅是上面提到的那些，还有其他的一些优点：第一多足机器人的仿生学机构，可以像人类跟四足哺乳动物一样到达想要去地方。第二仿生机器人运动所产生的路线是一种叫做离散型的路线，运动时只需要离散的点接触地面即可，如此不仅对环境的破坏缩减，还可以采取更适合的支撑点。综上所述：我们把仿生学跟运动学相机结合，进一步把四足机器人的机构优化，侧重于四足动物的肢体结构特征，运动学，关节设计及驱动单元优化。设计一款可以行走的四足机器人，通过反复的验证，从而论证了本文的机构设计的部分是可行的。
（二） 四组机器人的阐述
四足机器人的历史悠远。最早是出现在上个世纪60年代，一名叫作Shigley的科学家研发了一种崭新的机器人。其腿部结构为对四连杆机构和凸轮机构的整体结构，在Shirley的研究基础之上，国际很多科学家研究这类构造和推行一系列的四足机器人原始模型[1]。 8年后，通用电气的莫舍和Liston共同开发的一款机器人被称为“行走的汽车”，如图1所示。此机器人的腿部架构所使用的动力是由一种叫做液压装置提供的。为了方便观察和分析它的运动轨迹跟数据，我们在它的腿部装有传感器。但是这种架构组织不能称之为第一代仿生四足机器人，因为它是一款由人控制的机器人，就像操控搬运重物的叉车一样。只是结构近似于四足机器人[2]。
在波士顿美国动力大学研究的大狗机器人问世过后，吸引了很多学者的注意，大狗机器不仅可以在平缓的道路上行走，还可以在坑洼不齐的山沟里行走。在此之后，美国波士顿电力公司又研制了一款最新型的智能四足行走机器人如图2所示。为了分析其的步态和躲避障碍的能力，2013年他们又对该机器人进行了优化和改造如图3所示。在此之后还颁布了一系列仿生机器人。
图1行走的卡车
图2 小狗机器人
图3 大狗机器人
国内在仿生机器人的研究领域不如与国外早，相关理论的提出也显的比较落后。实质性的研究理论也仅仅是从20世纪80年代末开始陆陆续续有提出。刚开始步入研究的时候，国家高新技术研究开发的2011号863计划表明我国正在对四足机器人做深入研究[3]。有许多大学也开始加入这个行列来。在此之前，大学发表的机器人形式也不尽相同。他们发表的四足机器人仅仅可以简单地在平缓的道路上行走。
由上海交通大学研究的仿生机器人，他们在原有的基础上，将仿生机器人的驱动单元位置进行优化。它的腿部结构属于混联结构，这样做的好处是能够降低腿部的整体重量，这类的四足机器人可以做动步态和静步态。尽管如此，每条腿有1个活动关节，3个被动关节，活动关节由4V直流电提供动力[45]。
（三） 四足机器人的驱动
为了让四足机器人的适应性提高，通过查阅资料跟实验证明，最终确定所设计的四足机器人采用的是仿生腿结构。能够让机器人运动起来，这个时候最离不开驱动，最常见的有三种驱动方法分别是：液压驱动、气动驱动、和马达驱动[6]。我们通过实验对比和分析，找出最适合我们四足机器人的驱动方案
液压驱动：事实上，我们大可以把液压驱动看作为流动性。液压启动的优点平稳，容易启动。可以完成频繁换向[7]。但其整个体系结构相对于比较复杂，主要包括机械结构、控制系统等。另外，因为流体介质具有可伸缩性能，目前位置无法保证动力恒定的传输，从而让系统的稳定性有所改变。会产生精度发生变化，随之产生的密封问题会造成大量的维修费用。这种驱动方式它适用于重载和大型工业设备，不适合小型步行机器人。
气动驱动：气压是由空气作为介质驱动的，虽然它的质量轻，但压力的存在使位置精度变低，对于气压启动，密封性能很好。气压驱动的优点是：能源费用低，工作要求低。气压驱动存在的缺点是动力不足，设备庞大。另外，考虑到气体的可压缩性，泄漏问题成为最致命的缺点。随之造成的影响也最为致命的。所以我们排除采取气压驱动方式。
电机驱动：我们通俗来讲就是马达。我们为了达到四足机器人膝关节出的力矩要求，所以最终我们将采用电机驱动。电机驱动的长处是：操作简单，信号容易反馈，驱动力矩大[89]。结合我们设计的目的，为了让四足机器人的环境适应性高，操作灵活方便。通过对液压驱动、气压驱动和电机驱动这三种驱动方式进行比较，综合考虑成本、优缺点等等利弊，最终选择电机驱动作为我们设计的驱动单元。
（四）研究内容
在撰写本文之前，做了大量的相关资料的查询、总结和研究。为了让机械结构和功能达到理想的状态，我们通过实验的多次比较与分析。主要研究内容如下：
1. 主要对仿生机器人的研究的现状进行详细的介绍。对四足机器人驱动方案做了对比与分析，最终选择适合我们四足机器人的驱动方案。
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