苏金文

（滁州学院 机械与汽车工程学院，安徽 滁州 239000）

四足仿生机器人混联腿构型设计及比较分析

苏金文

（滁州学院 机械与汽车工程学院，安徽 滁州 239000）

在机器人能研究领域当中，四足仿生机器人是一个十分重要部分.在此类机器人的研发当中，混联腿构型是一种较为常用的结构，其中对串联、并联等机构的特点进行融合，对于机器人的运动性能有着十分良好的提升.从自由度不同的角度，主要采用三种不同的构型，各自具有不同的特点.基于此，本文对四足仿生机器人混联腿构型的特点进行了分析，并且对不同构型进行了比较.

四足仿生机器人；混联腿构型设计；比较分析

在很多复杂的环境当中，人类难以确保安全的作业，因此通常利用四足仿生机器人替代人类进行工作.例如示教娱乐、农林采伐、建筑业、消防营救、星球表面探索、核能工业、矿山开采、军事等诸多方面，能够取得更为良好的效果.在四足仿生机器人的研究发展中，自带动力源、低能耗、高承载、高速等是主要的发展方向.其中，混联腿构型是最主要的设计类型之一，对于机器人的整体性能有着重要的影响.

1 四足仿生机器人混联腿构型设计

1.1 设计原则

以四脚动物为例，为了实现对角小跑、三组行走等动作，需要每条腿具有三自由度以上.腿的矢状面复杂完成起立、下蹲、后退等动作，在快速奔跑、负重等状态下，腿的矢状面也承受主要荷载.转弯、平衡等，是依靠髋部左右摇摆.动物如果受到冲击，应迅速左右移动，维持动态平衡.对于四足机器人来说，在设计当中对二自由度平面并联机构、单自由度四杆串联机构的构型进行应用.机器人腿矢状面运行承载力，可由二自由度平面并联结构提供，对于单个驱动器的驱动力能够节省[1].机器人腿部侧摆是由四杆机构提供，能够解耦机器人腿矢状面并联机构运动、髋部旋转，从而使机器人的控制难度降低、稳态响应能力提高.

1.2 建模方法

对四足机器人进行建模，在人体，腿部等位置建立坐标系.在身体、腿部坐标系当中，分别设定一个点.机器人具有两两对称的腿，能够得出三个腿部坐标系的原点位置.可对腿部坐标系和身体坐标系之间的关系进行相应的转换.在相互对称的位置安装机器人的腿，如果存在相同的输入条件，根据第一条腿的足部在坐标系当中的位置，就能够得到其它三条腿的足部在坐标系中的相应位置.在各个腿上，也存在着能够相互转换关系的对应点位置.据此，就能够对整个机器人的速度雅克比关系进行建立.

图1 四足机器人坐标系建模

1.3 三种设计

在第一中混联腿构型设计中，两两对称布置四条腿，利用电动机带动丝杠、两个伺服电机，为其提供运动输出.在这种构型设计当中，腿部矢状面伺服电动机，会产生闭合曲线的足端轨迹，在机器人对角行走中，可通过该电动机单独进行驱动，控制起来较为简单[2].不过，在腿部偏下的位置，安装了具有较大质量的驱动器连接丝杠，因而在机器人运动中，惯性力会在较大程度上影响稳定性.通过对机构位置方程的建立，能够在输入、输出之间，获取相应的速度关系矩阵.

在第二种混联腿构型设计中，同样采用两两对称的方式对四条腿进行布置，利用电动机带动的丝杠进行运动输入.在这种构型设计中，在机器人身体上，安装了全部的驱动器，能够更加集中整个机器人的质量，使得腿部惯性得到了下降，因而能够提升其运动中的稳定性.通过对机构位置方程的建立，能够对输入、输出之间的速度关系矩阵进行获取.

在第三种混联腿构型设计中，采用两两对称的方式布置四条腿，采用直线驱动器进行运动输入，驱动系统中，对电动机液压混合系统进行了应用.在这种构型设计当中，采用对称放大机构作为平面机构，在大范围运动中，只需要小行程驱动即可[3].在保持恒定转动惯量的基础上，能够实现机器人腿的伸缩运动，腿部惯性因素，也不会影响到机器人运动的稳定性.通过对机构位置方程的建立，能够在输入、输出之间，获取相应的速度关系矩阵.

2 四足仿生机器人混联腿构型比较

2.1 承载空间

在四足仿生机器人混联腿构型设计当中，机构承载能力具有极大的意义，对于机构的特性，可以通过承载空间的形状、大小等加以体现.在不同位姿情况下，可以对承受末端力的范围进行观察.对于末端速度，可以利用机构驱动速度和机构雅克比矩阵进行计算得出.同时利用雅克比矩阵和驱动力，基于虚位移原理，能够对输出力进行计算.用椭圆能够代表平面输出承载能力.模拟四足机器人对角小跑的运动，以此比较和分析不同混联腿构型设计的承载能力.在机构末端轨迹曲线上，对间隔时间点进行选取，对承载空间的变化进行对比.经过对比能够得出，具有最大承载力的是第三种设计.在机器人的运动当中，前两种设计会随着位置而改变承载空间，而第三种设计在不同的位置下，承载空间基本上不会发生太大的变化[4].

2.2 工作空间

由于是两两对称对机器人腿部进行安装，因此其形状对称性会对腿部矢状面工作空间产生影响.如果机器人具有相同高度的髋部，第一种设计具有较短的步长，工作空间较为不足，也会影响行进速度.第二种设计能够相应增加步长和工作空间，不过在不对称的工作空间上，机器人并不具有良好的灵活性.而第三种设计具有对称的腿部工作空间，前后左右的运动能力相同，并且在步长、工作空间、灵活性等方面都较为良好.

表1 三种构型设计的工作空间对比（单位：mm）

2.3 各向同性度

在四足机器人的运动过程中，在前进方向和左右侧向的移动能力，是考察机器人运动情况的重要因素.机器人在不同方向中的运动能力，可以用各向同性度进行判断和分析，从而得出机器人的灵活性能否满足实际应用需求.对于整个机器人能来说，通过雅克比奇异值矩阵的最小值和最大值的比值，就能够计算出其各向同性度[5].在第一种混联腿构型设计中，在前进方向和左右侧移动中，其承载能力、运动能力等存在着很大的不同.在第二种混联腿构型设计中，在前进方向和左右侧向移动中，其承载能力、运动能力等会产生更大的不同.而在第三种混联腿构型设计中，在前进方向和左右侧向移动中，其承载能力、运动能力之间的不同较小，因而具有较为良好的各向同性度.

2.4 驱动力矩比较

经过以上的对比研究能够看出，第三种四足仿生机器人的混联腿构型设计具有较为良好的性能.与经典串联构型设计相比，这种混联腿构型设计具有二自由度并联结构的腿部矢状面结构.而在经典串联构型设计中，则具有二自由度串联结构的腿部矢状面结构.由此能够看出，矢状面不同的机构，使得二者之间拥有不同的性能和特点.在四足仿生机器人的设计当中，其能耗水平、设计成本等，都是由机器人的具体驱动力矩所决定的.利用足部受到的切向外力和径向外力、第三种混联腿构型设计矢状面的驱动力矩、串联腿构型设计矢状面的驱动力矩、髋角、大腿连线夹角、小腿程度和大腿长度等因素，能够对第三种混联腿构型设计矢状面的驱动力矩、机构外载之间的关系，以及串联腿构型设计矢状面的驱动力矩、机构外载之间的关系加以明确[6].在这一过程中，忽略腿部的惯性、重量，同时默认为小腿和大腿的长度相同.如果机器人的腿部只受到切向力或径向力，对其驱动力矩进行比较分析，能够得知，如果只有切向力作用于混联腿的并联部分，对比相同情况下的串联腿，具有更小的驱动力矩最大值.由此可知，相比于传统的串联腿结构，在应用当中，混联腿结构只需要更少的驱动力矩就能够实现良好的运动状态，因此对于能耗的降低有着较大的意义.

3 研究结果分析

经过前面的研究和对比能够看出，在各向同性度、承载能力、工作空间等方面，显然第三种混联腿构型设计具有更为良好的性能和状态，所以，采用这种方案，对机器人整机的试验样机进行制作[7].采用高强度铝合金作为材料制作试验样机，具体参数为100千克以上的设计负重、130千克以下的包括驱动模块和动力源条件下的自重、1000毫米的高度、500毫米的宽度、1200毫米的长度.在100千克负重的情况下，让试验机器人采用对角步态稳定的行走.试验结果表明，这种混联腿构型设计具有能够满足要求的良好的工作空间和承载能力，对于四足仿生机器人的研究和改进提供了充足的依据和参考.

在四足仿生机器人的研究当中，为了满足高承载、高速的要求，分别提出了三种不同的三自由度混联腿构型设计方案，通过对四杆机构串联、平面并联机构的应用，能够对串联机构中的工作空间建大、机构灵活性较高的优势，以及并联机构中具备的载重自重比高的优势进行充分的融合与发挥，从而在各种不同的复杂环境中，都能够确保机器人具有良好的适应能力，安全、稳定的开展工作.分别研究和比较三种不同混联腿构型设计的前后左右方向运动的各向同性度、承载能力、工作空间等性能，得出第三种混联腿构型设计方案具有最为理想的性能[8].将传统的串联腿构型设计与第三种混联腿构型设计方案进行了比较，发现混联腿构型设计方案中的机器人只需要更小的驱动力矩就能驱动，因而能够节省较多的能源和成本.最终利用这种混联腿构型设计方案，制作机器人样机并进行了相关实验，结果证明其具有十分良好的性能和优势，对于四足仿生机器人整体性能的提升，以及其未来的研究发展提供了良好的参考.

4 结论

在当前的社会当中，随着科技的不断发展，很多先进的技术被逐渐应用在各个领域当中，也取得了较为良好的应用效果.在很多复杂、不稳定、恶劣的工作环境下，人类难以有效的进行应对，因此可以利用四足仿生机器人进行工作.在机器人当中，混联腿构型是一种十分有效的设计方式，经过比较具有十分良好的性能，因此能够得到非常良好的应用.

〔1〕田兴华,高峰,陈先宝,齐臣坤.四足仿生机器人混联腿构型设计及比较 [J].机械工程学报,2013（06）:81-88.

〔2〕桑凌峰,王洪波,孙利.载人步行椅机器人的自由度和腿机构上平台的布置方式分析[J].燕山大学学报,2013（04）:317-325.

〔3〕雷静桃,俞煌颖,王峰.四足机器人对角小跑步态动态稳定步行足端非连续约束及动力学建模[J].中国机械工程,2015（05）:592-597.

〔4〕马泽润,郭为忠,高峰.一种新型轮腿式移动机器人的越障能力分析 [J].机械设计与研究,2015（04）:6-10+15.

〔5〕高建设,李明祥,侯伯杰,王保糖.新型四足步行机器人串并混联腿的运动学分析[J].光学精密工程,2015（11）:3147-3160.

〔6〕鄂明成,刘虎,张秀丽,付成龙,马宏绪.一种粗糙地形下四足仿生机器人的柔顺步态生成方法[J].机器人,2014（05）:584-591.

〔7〕荣誉,金振林,崔冰艳.六足农业机器人并联腿构型分析与结构参数设计 [J].农业工程学报, 2012,15:9-14.

〔8〕庄未,黄用华.基于螺旋理论的冗余液压驱动四足机器人运动学分析 [J].机械设计,2011（11）: 15-22.

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1673-260X（2016）11-0028-03

2016-06-09

滁州学院校级规划项目：动态环境下机器人SLAM技术研究（2014GH21)