【正文】 的維護方面和崎嶇地面上的貨物搬運工作以及災害支援救助等方面都具有很好的發(fā)展前景。 步行機器人研發(fā)現(xiàn)狀20世紀60年代，對于四足步行機器人的研究工作剛剛開始起步。2080人的研發(fā)工作進入了廣泛的發(fā)展階段。80、90Shigeo的實驗室研制的系列機器人。圖11 TekkenIV機器人20002003如圖11所示。系統(tǒng)控制是由基于的控制器通過反射機制來完成的。能夠?qū)崿F(xiàn)不規(guī)則地面的自適應動態(tài)步行，同時它利用了激光和攝像機進行導航，能夠有效的躲避前方的障礙物，實現(xiàn)無碰撞的行走。如圖12所示為美國Boston Dynamics爬升斜坡可達其腿關(guān)節(jié)類似動物腿震動部件和能量同時，腿部連有很多傳感器，其運動通過伺服電機來控制。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。圖12 BigDog 機器人國內(nèi)具有代表性的采用四足機構(gòu)的機器人主要包括:如下圖13所示為上海交通大學所研制比較有代表性的兩款四足步行機器人，圖(a)所示的一款四足步行機器人步行機構(gòu)采用的是平面四桿機構(gòu)，該機器人在跨越障礙，溝槽，上下臺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器人JTUWMH也是由上海交通大學研制的關(guān)節(jié)式步行機器人。(a) (b)圖13 上海交通大學的二種四足步行機器人清華大學所研制的兩款四足步行機器人，如圖14所示。該機器人的不足之處是腿運動時的協(xié)調(diào)控制比較復雜，并且承載能力較小。由于國內(nèi)四足步行機器的研究起步比較晚，在上個世紀90年代以后才逐步有了成果，導致現(xiàn)在的研究水平距離世界先進水平還有一定的差距?；谛袨榈目刂撇呗栽谔幚矶嘧杂啥炔叫袡C器人這類復雜系統(tǒng)時，行為規(guī)則的設計十分困難。從以上的分析中能夠看出，對于多關(guān)節(jié)步行機器人的運動控制，傳統(tǒng)的運動控制方案大多數(shù)都不夠完善。所以本文嘗試著從另外一個方向來解決步行機器人的行走運動控制問題。因此從某種意義上說，行走機構(gòu)的分析主要集中在步行機構(gòu)的分析上?，F(xiàn)在，世界各地的一些專家和學者對步行機器人的步行機構(gòu)已經(jīng)進行了大量的研究，其結(jié)構(gòu)有多種形式，主要結(jié)構(gòu)可以劃分成三種機構(gòu)：閉環(huán)平面四桿縮放式機構(gòu)；開環(huán)連桿機構(gòu)；特殊的步行機構(gòu)。這種機構(gòu)大部分是由關(guān)節(jié)式連桿機構(gòu)來實現(xiàn)。缺點想要實現(xiàn)運動時的協(xié)調(diào)控制比較困難，并且它的承載能力比較小。這種機構(gòu)是由大、小腿以及髖關(guān)節(jié)等部分構(gòu)成的。能夠建立如圖22所示的平面坐標系，髖關(guān)節(jié)為第一關(guān)節(jié)，它在點環(huán)繞Z軸轉(zhuǎn)動，設它的旋轉(zhuǎn)半徑為；大腿關(guān)節(jié)為第二個驅(qū)動關(guān)節(jié)，在A點環(huán)繞著和大、小腿的運動平面所垂直的軸進行轉(zhuǎn)動，大腿的桿長為；小腿關(guān)節(jié)為第三個驅(qū)動關(guān)節(jié)，在B點環(huán)繞著和大、小腿的運動平面垂直的軸轉(zhuǎn)動，小腿桿的長度為。圖21開環(huán)連桿步行機構(gòu)圖22開環(huán)連桿機構(gòu)坐標系模型如圖22所示，我們可以設髖關(guān)節(jié)、大腿關(guān)節(jié)、小腿桿的驅(qū)動轉(zhuǎn)角分別為、根據(jù)上圖可以建立足端C點的運動軌跡方程如下： 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)運動（就像人的小臂運動一樣），因此在運動的時候，由于臂的末端C點能運動到比較大的區(qū)域，在髖關(guān)節(jié)進行轉(zhuǎn)動時候，機構(gòu)的運動空間可以實現(xiàn)三維橢圓狀。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)。又有角的求解公式為： 令小腿桿在二極限位置、對應的值為、所以可求得： 由上式可知，對于不同的高度值，足端的運動軌跡類似橢圓曲線，當髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動時，將形成三維的運動空間，如下圖24所示。如圖25所示為一種比較常見的閉環(huán)平面四桿步行機構(gòu)，它的協(xié)調(diào)控制非常簡單。圖25平面四桿步行機構(gòu)圖26平面四桿步行機構(gòu)坐標系模型我們建立如圖26所示的坐標系模型。就是因為這種限制要求，導致了大小腿的運動受到比較大的限制，組成了平面運動機構(gòu)。這種步行機構(gòu)能產(chǎn)生近似直線的運動，而且都具有設計比較簡單、方便的特點。圖27埃萬斯四連桿機構(gòu) 腿的設計從運動的角度來看，足端相對于機身應該為直線軌跡，為了實現(xiàn)在崎嶇不平的地面上行走，腿的伸長必須是可以改變的。行走機構(gòu)腿部的主要任務是支撐本體和使本體能夠?qū)崿F(xiàn)移動，此外還必須具有腳部的抬起和擺動的動作，如果把本體作為參照物，那么就可以得到足端的運動軌跡如下圖28（a）所示。根據(jù)上述，提出四足行走機構(gòu)中腿機構(gòu)的要求：腿的足端部相對于機體的運動軌跡形狀應如“”。 腿的機構(gòu)分析相對而言步行機器人的腿機構(gòu)是步行機器人一個很重要的組成部分，在設計步行機器人的腿過程中，要求它能夠?qū)崿F(xiàn)承載和運動的功能，同時也要滿足結(jié)構(gòu)相對簡單、控制方便的要求。開鏈機構(gòu)具有工作空間大，結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，但因為其承載能力小，剛度和精度都比較差，為了完善這些缺陷，從而產(chǎn)生了閉鏈機構(gòu)。腿機構(gòu)運動要求的必要條件是：（1）機構(gòu)所含運動副是轉(zhuǎn)動副或移動副；（2）機構(gòu)的自由度不能大于2；（3）機構(gòu)的桿件數(shù)目不宜太多；（4）須有連桿曲線為直線的點；（5）足機構(gòu)上的點，相對于機身高度是可變的；（6）機構(gòu)需有腿的基本形狀。行走機構(gòu)腿按照自由度劃分為一個自由度的結(jié)構(gòu)可以由四桿、六桿、八桿等組成。六桿機構(gòu)具有兩個閉環(huán)，其運動鏈的基本形式有兩種。二個自由度的機構(gòu)可以由五桿、七桿、九桿等組成，他們運動鏈的基本形式有多種。在設計中，將采用斯蒂芬（Stephonson）型六桿機構(gòu)作為步行機構(gòu)，步行器的大小腿以二桿組構(gòu)成，并讓它的足端相對運動軌跡能夠滿足要求，二桿組的構(gòu)件盡量跟大小腿的結(jié)構(gòu)類似，驅(qū)動機構(gòu)用四桿機構(gòu)組成。以二桿組作為腿機構(gòu)，如圖 29 所示，A 為跨關(guān)節(jié)，B 為膝關(guān)節(jié)，C 作為足端。暫取 AB，BC，并分別為 9cm、17cm，取足端的相對運動軌跡為對稱于圖 1 的 y 軸，并且當 C 點到C1 和C2 兩個點的時候，大小腿近似于拉直狀態(tài)。表21 坐標值表點位置123456789101112X2772Y33333333點位置131415161718192021222324X267732Y333333