【正文】 ，爬升斜坡可達(dá)35176。其腿關(guān)節(jié)類似動(dòng)物腿關(guān)節(jié)，安裝有吸收震動(dòng)部件和能量循環(huán)部件。同時(shí)，腿部連有很多傳感器，其運(yùn)動(dòng)通過伺服電機(jī)來控制。該機(jī)器人機(jī)動(dòng)性和反應(yīng)能力都很強(qiáng)，平衡能力極佳。但由于汽油發(fā)電機(jī)需攜帶油箱，故工作時(shí)受環(huán)境影響大，可靠性差。另外，當(dāng)機(jī)器人行走時(shí)引擎會(huì)發(fā)出怪異的噪音。圖12 BigDog 機(jī)器人國(guó)內(nèi)具有代表性的采用四足機(jī)構(gòu)的機(jī)器人主要包括:如下圖13所示為上海交通大學(xué)所研制比較有代表性的兩款四足步行機(jī)器人，圖(a)所示的一款四足步行機(jī)器人步行機(jī)構(gòu)采用的是平面四桿機(jī)構(gòu)，該機(jī)器人在跨越障礙，溝槽，上下臺(tái)階以及通過凹凸不平的地面都具有良好的表現(xiàn)；圖(b)所示的一款四足步行機(jī)器人JTUWMH也是由上海交通大學(xué)研制的關(guān)節(jié)式步行機(jī)器人。該機(jī)器人為足式機(jī)器人的經(jīng)典結(jié)構(gòu)，但速度緩慢。(a) (b)圖13 上海交通大學(xué)的二種四足步行機(jī)器人清華大學(xué)所研制的兩款四足步行機(jī)器人，如圖14所示。它采用了開環(huán)關(guān)節(jié)連桿機(jī)構(gòu)作為步行機(jī)構(gòu)，通過對(duì)動(dòng)物運(yùn)動(dòng)機(jī)制的模擬，從而達(dá)到相對(duì)而言比較穩(wěn)定的有節(jié)奏的運(yùn)動(dòng)，可以獨(dú)立處理比較復(fù)雜的地形條件，能夠輕松完成上下坡行走、越障等功能。該機(jī)器人的不足之處是腿運(yùn)動(dòng)時(shí)的協(xié)調(diào)控制比較復(fù)雜，并且承載能力較小。 (a) (b)圖14清華大學(xué)的二種四足步行機(jī)器人從上面的例子可以看出美國(guó)和日本的研究最具有代表性，他們的技術(shù)已經(jīng)達(dá)到先進(jìn)水平，實(shí)用化程度也在逐漸提高之中。由于國(guó)內(nèi)四足步行機(jī)器的研究起步比較晚，在上個(gè)世紀(jì)90年代以后才逐步有了成果，導(dǎo)致現(xiàn)在的研究水平距離世界先進(jìn)水平還有一定的差距。 存在的問題在處理多自由度的步行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制中，的確很難將這些方法應(yīng)用與機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制中?；谛袨榈目刂撇呗栽谔幚矶嘧杂啥炔叫袡C(jī)器人這類復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)，行為規(guī)則的設(shè)計(jì)十分困難。由于多關(guān)節(jié)步行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析比輪式移動(dòng)機(jī)器人要復(fù)雜得多，實(shí)現(xiàn)多關(guān)節(jié)步行機(jī)器人的傳感空間到關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)空間的映射是非常困難的一件事情。從以上的分析中能夠看出，對(duì)于多關(guān)節(jié)步行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制方案大多數(shù)都不夠完善。主要原因是想要研制像現(xiàn)實(shí)世界中的動(dòng)物那樣運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人，就一定要集多學(xué)科研究成果之大成，它的模型建立和計(jì)算必然非常復(fù)雜。所以本文嘗試著從另外一個(gè)方向來解決步行機(jī)器人的行走運(yùn)動(dòng)控制問題。2 四足機(jī)器人腿的研究 腿的對(duì)比分析四足行走機(jī)構(gòu)的機(jī)械部分是機(jī)器人所有控制及運(yùn)動(dòng)的載體，其中腿部結(jié)構(gòu)形式是行走機(jī)構(gòu)中重要組成部分，也是機(jī)械設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一。因此從某種意義上說，行走機(jī)構(gòu)的分析主要集中在步行機(jī)構(gòu)的分析上。一般而言，不要設(shè)計(jì)比較復(fù)雜的四足行走機(jī)構(gòu)，如果桿件太多的步行機(jī)構(gòu)會(huì)直接導(dǎo)致結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)的實(shí)現(xiàn)更加困難，因此對(duì)于腿部機(jī)構(gòu)所具備的基本要求是：輸出一定的軌跡，實(shí)現(xiàn)給定的運(yùn)動(dòng)要求；具有一定的承載能力；方便控制的要求?，F(xiàn)在，世界各地的一些專家和學(xué)者對(duì)步行機(jī)器人的步行機(jī)構(gòu)已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，其結(jié)構(gòu)有多種形式，主要結(jié)構(gòu)可以劃分成三種機(jī)構(gòu)：閉環(huán)平面四桿縮放式機(jī)構(gòu)；開環(huán)連桿機(jī)構(gòu)；特殊的步行機(jī)構(gòu)。 開環(huán)關(guān)節(jié)連桿機(jī)構(gòu)在以前的步行機(jī)器人的研究中，一般是仿照動(dòng)物的腿部結(jié)構(gòu)來對(duì)步行機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。這種機(jī)構(gòu)大部分是由關(guān)節(jié)式連桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。它的優(yōu)點(diǎn)是具有緊湊的結(jié)構(gòu)，步行機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)較大的運(yùn)動(dòng)空間，并且運(yùn)動(dòng)非常靈活，因?yàn)殛P(guān)節(jié)式的步行機(jī)構(gòu)鏈接的部分是關(guān)節(jié)，所以在行走的過程中不穩(wěn)定的狀態(tài)能夠快速的恢復(fù)平衡。缺點(diǎn)想要實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)時(shí)的協(xié)調(diào)控制比較困難，并且它的承載能力比較小。如圖21所示為常見的開環(huán)關(guān)節(jié)連桿步行機(jī)構(gòu)的三維模型圖形。這種機(jī)構(gòu)是由大、小腿以及髖關(guān)節(jié)等部分構(gòu)成的。平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的主要組成部件是大、小腿，而空間運(yùn)動(dòng)則是由髖關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)該平面機(jī)構(gòu)從而實(shí)現(xiàn)。能夠建立如圖22所示的平面坐標(biāo)系，髖關(guān)節(jié)為第一關(guān)節(jié)，它在點(diǎn)環(huán)繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，設(shè)它的旋轉(zhuǎn)半徑為；大腿關(guān)節(jié)為第二個(gè)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，在A點(diǎn)環(huán)繞著和大、小腿的運(yùn)動(dòng)平面所垂直的軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，大腿的桿長(zhǎng)為；小腿關(guān)節(jié)為第三個(gè)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，在B點(diǎn)環(huán)繞著和大、小腿的運(yùn)動(dòng)平面垂直的軸轉(zhuǎn)動(dòng)，小腿桿的長(zhǎng)度為。同時(shí)設(shè)逆時(shí)針方向?yàn)檎蚪恰D21開環(huán)連桿步行機(jī)構(gòu)圖22開環(huán)連桿機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系模型如圖22所示，我們可以設(shè)髖關(guān)節(jié)、大腿關(guān)節(jié)、小腿桿的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)角分別為、根據(jù)上圖可以建立足端C點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡方程如下： 其中：通過上式和圖形可以得到，小腿桿能夠在轉(zhuǎn)過大臂上部空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)（就像人的小臂運(yùn)動(dòng)一樣），因此在運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，由于臂的末端C點(diǎn)能運(yùn)動(dòng)到比較大的區(qū)域，在髖關(guān)節(jié)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)候，機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)空間可以實(shí)現(xiàn)三維橢圓狀。但是采用這種機(jī)構(gòu)作為步行機(jī)構(gòu)，在機(jī)器人的行走過程中，機(jī)器人足端的運(yùn)動(dòng)范圍不能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)可達(dá)運(yùn)動(dòng)空間的覆蓋，大腿桿在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)也不能到達(dá)所有的區(qū)域。從上面的原因中能看出，小腿和地面法線的夾角要在一定的范圍之內(nèi)才能夠?qū)崿F(xiàn)。如圖23所示，設(shè)小腿能夠轉(zhuǎn)動(dòng)最大的角度為和小腿的最大內(nèi)向（順時(shí)針）驅(qū)動(dòng)角度為，這時(shí)小腿擺動(dòng)的角度范圍能夠表示為：。又有角的求解公式為： 令小腿桿在二極限位置、對(duì)應(yīng)的值為、所以可求得： 由上式可知，對(duì)于不同的高度值，足端的運(yùn)動(dòng)軌跡類似橢圓曲線，當(dāng)髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，將形成三維的運(yùn)動(dòng)空間，如下圖24所示。圖23小腿的擺動(dòng)約束圖24足端運(yùn)動(dòng)空間 閉環(huán)平面四桿機(jī)構(gòu)閉環(huán)平面四桿機(jī)構(gòu)并沒有開鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)承載能力低的缺點(diǎn)，它擁有比較好的剛性和較小的功耗，因此具有較廣泛的應(yīng)用。如圖25所示為一種比較常見的閉環(huán)平面四桿步行機(jī)構(gòu)，它的協(xié)調(diào)控制非常簡(jiǎn)單?？s放式腿部的結(jié)構(gòu)擁有比例特性，可以按比例放大驅(qū)動(dòng)器的推動(dòng)距離從而得到足端的運(yùn)動(dòng)距離，它的不足之處是：不論是圓柱坐標(biāo)還是直角坐標(biāo)的縮放機(jī)構(gòu)，都需要二個(gè)以上的線性驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，這就導(dǎo)致了機(jī)械結(jié)構(gòu)較大，質(zhì)量較重，而且驅(qū)動(dòng)距離限制了機(jī)器人足端的運(yùn)動(dòng)范圍，很難得到比較大的運(yùn)動(dòng)空間。圖25平面四桿步行機(jī)構(gòu)圖26平面四桿步行機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系模型我們建立如圖26所示的坐標(biāo)系模型。B點(diǎn)髖關(guān)節(jié)，繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)角為α，懸長(zhǎng)為；點(diǎn)為大腿桿的旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，桿長(zhǎng)為，其與的延長(zhǎng)線的夾角為β；點(diǎn)為大腿桿的旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，桿長(zhǎng)為，其與的延長(zhǎng)線的夾角為φ；由此可推出A點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡方程為：其中：從所周知，在四桿機(jī)構(gòu)中二根桿重合的時(shí)候，機(jī)構(gòu)將會(huì)出現(xiàn)死點(diǎn)，為了防止四桿機(jī)構(gòu)死點(diǎn)的產(chǎn)生問題，比較實(shí)用的做法是規(guī)定一個(gè)小腿桿與大腿桿的最小夾角和最大夾角，即在大小腿桿之間的夾