小型轮式移动机器人结构设计与运动控制研究_图文_百度文库
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小型轮式移动机器人结构设计与运动控制研究
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你可能喜欢随着科学技术的发展，机器人早已能按照设计的指令完成各种动作．在坐标平面上，根据指令[S，α]（S≥0，0°＜α＜180°）机器人能完成下列动作：先原地顺时针旋转角度α，再朝其对面方向沿直线行走距离s．
（1）填空：如图，若机器人在直角指标系的原点，且面对y轴的正方向，现要使其移动到点A（2，2），则给机器人发出的指令应是[2，45°]；
（2）机器人在完成上述指令后，发现在P（6，0）处有一小球正向坐标原点做匀速直线运动，已知小球滚动的速度与机器人行走的速度相同，若忽略机器人原地旋转的时间，请你给机器人发一个指令，使它能截住小球．
（参考数据：sin53°≈0.8，cos37°≈0.80，tan37°≈0.75，tan26.5°≈0.5）
解：（1）作AB⊥x轴，
∵A（2，2），
∴∠AOB=45°，
∴给机器人发的指令为：[2，45°]；
（2）作AC=PC，由题意可知：PC=AC，设PC=x，则BC=4-x，
在Rt△ABC中：22+（4-x）2=x2，
又∵tan∠BAC=，
∴∠BAC=37°，
∵∠OAB=45°，
∴∠OAC=37°+45°=82°，
∴∠DAC=180°-82°=98°，
∴输入的指令为[2.5，98°]．
（1）作AB⊥x轴，由A点坐标可利用勾股定理求出OA的长及∠AOE的度数，再根据机器人的转动规则进行解答即可；
（2）作AC=PC，设PC=x，则BC=4-x，在Rt△ABC中利用勾股定理可求出x的值，再根据锐角三角函数的定义即可求出∠DAC的值，进而可得出答案．足式移动机器人专题_图文_百度文库
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足式移动机器人专题
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&&足​式​移​动​机​器​人​简​介​、​结​构​设​计​、​运​动​分​析​、​主​要​产​品​等
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足式移动机器人专题
足式移动机器人是机器人领域中最活跃的一份子，足式移动机器人具有独特的优势和更高的灵活性，能够轻松的融进人类生活，与人类协同工作，从长远来看，足式移动机器人在诸如大众服务行业、教育、医疗、无人工厂、宇宙探索等都有着潜在而又广阔的应用前景。足式移动机器人分类自然界中总存在着一些人类难以到达（如外太空、深海等）和危险、恶劣环境（如火灾现场、辐射地区），于是就开发利用能够自主运行的可移动机器人代替人类从事一些危险和难以触及的环境方面的。由于足式移动机器人比其它移动机器人有着更好的地形适应能力，并且更加灵活，因此在实际中得到了更加广泛的应用。足式移动机器人按照其“腿部”的数量不同可以分为单足式移动机器人、双足式移动机器人和多足式移动机器人（包括四足式移动机器人、六足式移动机器人和八足式移动机器人等）。1. 单足式移动机器人单足式移动机器人一般做成弹跳式，1980年世界上最早的弹跳机器人在麻省理工学院机器人实验室研制成功，该机器人采用连续跳跃机构，可实现连续弹跳。单足机器人结构简单，做成弹跳式可以越过数倍自身尺寸的障碍物，比其它足式机器人更加适应多障碍物的环境，在考古探测、地形勘察等领域得到了大量的应用。如图为单足式弹跳机器人。2. 双足式移动机器人双足式移动机器人几乎可以适应各种复杂地形，对步行环境要求很低，有教高的跨越障碍能力，不仅可以在平面上行走，而且能够方便地上下台阶及通过不平整、不规则或较窄的路面，它是足式移动机器人中应用最多的。双足步行机器人能突显出科技水平个性化，可提高服务水平，担当导游、服务、咨询、信息查询等角色。这不仅仅是一个服务问题和节省人力的问题，更重要的是它可以提供各种全面特殊的服务，一人可在不同的场合充当不同的角色，可以自动识别行走过程中碰到的障碍物，并做语音提示。如图为一种双足式移动机器人。3. 多足式移动机器人多足步行机器人是一种具有冗余驱动、多支链、时变拓扑运动机构足式机器人，多足步行机器人具有较强的机动性和更好适应不平地面的能力,能完成多种机器人工作。常见多足式移动机器人包括四足步行机器人、六足步行机器人、八足步行机器人等。如图为仿犬的四足步行机器人。下图为八足步行机器人。单足步行机器人简介与其它类型的足式移动机器人相比，单足步行机器人虽然腿部结构较为简单，但其行平衡性较差、并且行走较难控制，在实际中的应用价值不大，常作为小型的教育型机器人。为了提升单足式移动机器人应用价值，常将单足式移动机器人的足部设计成弹跳式和球轮式特殊结构。单足弹跳机器人轮动与爬行都不能越过与自身大小相当的障碍，只有弹跳才能做到，弹跳机器人可以越过数倍甚至数十倍于自身尺寸的障碍物。弹跳结构与其它移动方式结合可以大大提高机器人的活动范围，而且弹跳运动的突然性与爆发性有助于机器人躲避危险。 单足跳跃机器人虽然实际的应用能力有限，但其独特的越障性能使其仍具备一定的研究价值。Raibert在1984年设计了世界上第一个以跳跃方式运动的单腿机器人，机器人的运动被限制在一个平面内，腿部装有气缸，作用相当于弹簧，因此它在地面上的运动类似于一个带弹簧的倒立摆。其控制器分为3个相互独立的部分，分别控制高度、前向速度和姿态。之后，美国明尼阿波利斯明尼苏达大学的研究员尼古斯?古洛波洛斯和他的同事研制出一种可以跳上楼梯和搜查危险建筑物内部的微型机器人，这种机器人可以用于城市战争或帮助警察挫败处于包围之中的劫持人质的恐怖分子。单足球轮机器人 传统的单足机器人由于受到腿部机械结构和运动控制的限制，很难在小范围内实现灵活的全方位移动，为这一问题，将足部末端的机构设计成圆球体结构，从而出现了单球轮移动机器人。单足球轮移动机器人依靠圆球体在地面上移动，圆球体相当于不受方向限制的轮子，在小范围内可以灵活的全方位移动。单球轮移动机器人与地面的只有一个接触点，所以不能保持静态稳定，只能处于动态的平衡当中。单球轮机器人换向时不用转弯，当工作区域特别狭窄时，具有很强的实用性。总的来说，单球轮机器人具有以下几个优点：（1）转弯半径为零：机器人能绕本体中心旋转，不需要转弯便可以调整移动方向，可以在小空间内灵活移动；（2）无刹车系统：通过CPU控制电机提供正反转力矩，不需要减速器就能快速稳定的刹车；（3）功耗小：所需要的驱动功率较小，可延长电池供电时间；（4）体积小：相比传统多轮机器人，单球轮机器人占地面积小得多。最早对单球轮移动机器人进行研究的是卡内基梅隆大学。2005年前后，卡内基梅隆大学的T.B.LauwerS、GA.Kantor和R.L.HolliS在前人研究的基础上，推出了一个新型独轮自平衡机器人“Ballbot”，如图所示，研究该机器人的主要目的在于更好的与人进行人机交互。机器人的正身是一个高度为1.5m，直径为400mm，重量为45kg的圆柱。与一般的独轮自平衡机器人最大的不同是，“Ballbot”可以灵活的向任意方向运动。单足球轮式机器人Ballbot之后在2008年，日本东北大学在圆球机器人“BallBot”的研究之上先后发明了两种类型的单球轮移动机器人，分别命名为“BallIP1”和“BallIP2”。第一种机器人“BallIP1”如图（a）所示，它的总高度约1300mm，无球时的重量为12kg，球重3.6kg。之后研究的第二个机器人“BallIP2”如图（b）所示，机器人“BallIP2”的预期研究目的是运输货物，它的设计比前者要小，高度大约为500mm，无球时重量约为11kg，每个机器人所用的球轮都是一个橡皮保龄球（使用液体橡胶喷涂层），直径约为200mm。机器人“BallIP1”（左）和“BallIP2”（右）双足步行机器人简介双足步行机器人是一种有着良好的自由度，并且灵活、稳定，能够适合各种不同的环境，集机械、电子、信息、光检测为一体的具有“两条腿”可以类人直立行走的机器人。双足机器人的研究历史已有近40年,早在1968年,美国通用公司试制了一台名为“Rig”的操纵型双足机器人,揭开了双足机器人研究的序幕。1972年，日本早稻田大学研制出第一台功能较全的两足步行机器人。接着，美国、南斯拉夫等学者也研制出各种两足走行机器人模型。到80年代国外的双足机器人研究进入热潮，并提出了很多非常系统的建模及控制的理论和方法。 目前双足机器人的研究已取得了一定的成果,尤其是近几年来随着驱动器、传感器、计算机软硬件等相关技术的发展,出现了大量的机器人样机,不仅实现了平地步行、上下楼梯和上下斜坡等步态,有的还能实现跑步、弹跳及跳舞等动作。双足步行机器人因其具有体积相对较小，对非结构性的复杂地面具有良好的适应性、自动化程度高，并且能耗较少、移动盲区小等优点，使其成为了机器人领域的一个重要发展方向。双足式移动机器人虽然研究难度较大，但其应用领域广泛，很多学者纷纷投入到双足机器人的研究中来，也不断研发出了适合不同工作环境的“专用”机器人，如在服务行业两足机器人可以担当导游、服务员、提供咨询等，在海洋开发方面两足机器人可以深入海底进行深海探索等。相对其它移动机器人双足步行机器人也有着一定的缺点使其应用受限，比如行进速度较低，且由于重心原因容易侧翻，不稳定等。双足步行机器人按其行走方式的不同主要有静态步行、准动态步行和动态步行三种类型。静态步行两足步行机器人靠地面反力和摩擦力来支撑，绕此合力作用点力矩为零的点称为零力矩点(ZMP)。在行走过程中，始终保持ZMP在脚的支撑面或支撑区域内。
准动态步行把维持机器人的行走分为单脚支撑期和双脚支撑期，在单脚支撑期采用静态步行控制方式，将双脚支撑期视为倒立摆，控制重心由后脚支撑面滑到前脚支撑面。
动态步行这是一种类人型的行走方式。在行走过程中，将整个驱体视为多连杆倒立摆，控制其姿态稳定性，并巧妙利用重力、蹬脚和摆动推动重心前移，实现两足步行。动态步行涉及机构控制和能源等难题，目前仍处于研究阶段，两足步行机器人可用于宇宙探测、排险及军事等方面。双足步行机器人产品介绍双足机器人的研究始于1968年，经过半个世纪的发展，已取得了一定的成果，目前为止全球研究双足机器人的公司和组织有很多，也开发出了很多产品，并且部分产品也已经用于实践，进入到人们生活和工作中。下面列举一些比较好的双足机器人产品。日，ZMP公司开发出双脚步行机器人“NUVO”，该机器人具有语音识别功能，可由手机远程遥控。后来，ZMP公司又陆续开发了很多双脚步行机器人，如iPod周边机器人――Miuro，说白了其实就是一款iPod音箱，不过它是第一个会自己走动的iPod音箱。该机器人通过“身体两侧”的圆形扬声器滚动行走，可连接iPod播放音乐，或通过无线接收电脑中的音乐播放。Miuro还装配了遥控器控制，通过内置摄像头和传感器自主行动，在屋子里随处跟着主人播放音乐。“NUVO”机器人2009年，日本本田公司研制的双足机器人阿西莫(ASIMO)，可以称得上是世界上最先进的类人机器人，是当时全球唯一具备人类双足行走能力的机器人。阿西莫使用日本本田公司设计开发出一种新技术，通过识别大脑头皮电流变化和血液的流动信息，实现由人的大脑意念来控制机器人。这种新技术，可以实现比如打开汽车车门或者关闭家里的暖气这样简单的动作，也许不久以后就再也不需要亲自动手了，只用坐在舒服的沙发上静静地想象整个动作过程，与大脑相连接的机器人就能帮助完成。机器人阿西莫随着步行机器人的不断发展，其功能、用途、种类也不断增多。比如2010年9月日本千叶工业大学研究人员制造出一个双脚步行的机器人“大力士”――core，它能一次运载100公斤重的物品。“core”高约2米，重230公斤，通过两条腿步行前进，在运送重物时，其双腿能做出屈伸动作。“core”使用的单台发动机设计输出功率为1.2千瓦，最大可达3千瓦，相当于小型摩托车发动机输出功率的5倍，&core&的每条腿上各有6台这种发动机。设计人员还为“core”的腿部添加了特殊结构，当它的脚落在地面时，其腿部可吸收约80%的冲击力。“大力士”机器人core2011年8月，美国密歇根州大学的实验室研制出一款能够像人类一样奔跑的机器人，让双腿机器人的敏捷性和效率达到一个新的高度。这款机器人名为“MABEL”，最高速度可达约每小时11公里，据信是世界上速度最快的双腿有膝机器人。MABEL重量分布方式与人类相似，它的躯干更重，腿部轻巧而灵活，装有充当肌腱的弹簧。MABEL每跨一步时在空中的停留时间占到40%，就像是一个真正的奔跑者。在穿行于复杂地形和进入建筑物内执行任务方面，具备出色奔跑能力的双腿机器人拥有优势。MABEL可以充当机器人士兵或者营救人员进入着火的房屋搜寻幸存者。机器人“MABEL”多足步行机器人简介 在自然界和人类社会中存在一些人类无法到达的地方和可能危及人类生命的特殊场合。如行星表面、灾难发生矿井、防灾救援和反恐斗争等，对这些危险环境进行不断地探索和研究，寻求一条解决问题的可行途径成为科学技术发展和人类社会进步的需要。地形不规则和崎岖不平是这些环境的共同特点。以往的研究和实践经验表明，不管是轮式机器人、履带式机器人和单、双足式移动机器人都难以满足以上需求，由于多足步行机器人对崎岖和不规则地形的独特适应能力，使多足步行机器人的研究蓬勃发展起来。多足步行机器人是一种具有冗余驱动、多支链、时变拓扑运动机构，模仿多足动物运动形式的特种机器人。国内外研究多足步行机器人最早可以追溯到我国的三国时期，蜀汉丞相诸葛亮发明的一种运输工具“木牛流马”。国外有据可查的记载是Rygg在1893年设计的机械马。此后多足步行机器人历经一百多年的发展，取得了长足的进步，归纳起来主要经历了以下几个阶段：第一阶段，机械和液压控制实现运动的发展阶段。二十世纪六十年代，美国的 Shigley( 1960年)和Baldwin(1966年)就使用凸轮连杆机构设计出比轮式车或履带车更为灵活的步行机。这一阶段比较典型的是美国的 Mosher于1968年设计的四足车&Walking Truck&，步行车的四条腿由液压伺服马达系统驱动，安装在驾驶员手臂和脚上的位置传感器完成位置检测功能。虽然整机操作比较费力，但实现了步行及爬越障碍的功能，被视为是现代步行机发展史上的一个里程碑。从步态规划及控制的角度来说，这种要人跟随操纵的步行机并没有体现步行机器人的实质性意义，只能算作是人操作的机械移动装置。第二阶段，由于计算机大计算量的复杂数据处理能力的提高，机器人技术进入了全面发展的阶段。1987年，K. J. Waldron 等研制成功了ASV六足步行机器人；1989 年， W.Whittake 等成功研制了用于外星探测的六足机器人AMBLER；1993年1月，八足步行机器人 DANTE 用于对南极的埃里伯斯火山的考察，而后，其改进型DANTE-II也在实际中得到使用。在航空领域，美国NASA研制了爬行机器人“spider-bot”；英国在 1993 研制了六足步行机器人“MARV”，印度也于 2002 年研制了六足行走式机器人“舞王”。 第三阶段，多功能性和自主性的要求使得机器人技术进入新的发展阶段。由于许多危险工作可以由机器人来完成，这就要求机器人不但要具备完成各种任务的功能，还必须有自适应的运动规划和控制性能。所以，多足步行机器人的研究也进入了融合感知、规划和行动与交互的自主或与人共存的新一代机器人研究阶段。在国内，中科院沈阳自动化研究所、清华大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学、 国防科技大学等单位和院校都先后开展了机器人技术的研究，并在多足步行机器人技术的发展上也取得了较大的成果。随着对多足步行机器人的研究的日益深入和发展，多足步行机器人在速度、稳定 性、机动性和对地面的适应能力等方面的性能都在不断提高。总的来说，多足步行机器人主要具有以下优点：第一、多足步行机器人的运动轨迹是一系列离散的足印，运动时只需要离散的点接触地面，对环境的破坏程度也较小，可以在可能到达的地面上选择最优的支撑点以适应崎岖地形。第二、多足步行机器人的腿部具有多个自由度，使运动灵活性大大增强。它可以通过调节腿的长度保持身体平衡，也可以通过调节腿的伸展程度调整重心位置，稳定性高，不易翻倒。第三、多足步行机器人的身体与地面是分离的，这样可以使运动系统具有隔振能力，机器人的身体可以平稳地运动而不用考虑地面的粗糙程度和腿的放置位置。第四、多足步行机器人在不平路面和松软路面上的运动速度较高，能耗少。
当然，多足步行机器人也存在一些不足之处,当今多足步行机器人仍然面临很多亟待解决的问题：第一、有些多足步行机器人的体积和重量很大。在实际应用中未必有足够大的空间能够容纳它们或者根本不允许体积较大的机器人出现，并且为使腿部协调稳定运动，从机械结构设计到程序控制系统都比较复杂。从实用化角度出发，这类多足步行机器人在小型化方面还需要进行更深入的研究和改进。尤其是机械结构、控制系统硬件电路、电源系统、传感器等，需要寻找体积更小、效率更高的替代品。第二、大多数多足步行机器人研究平台的承载能力不强，从而导致它们没有能力承载视觉设备。而且多足步行机器人的视觉研究也不太成熟，而视觉正是多足步行机器人实现自主化和智能化的关键之一。要解决这个问题，首先还需改进现有多足步行机器人的机械机构设计，使其能够承受更大的负载；其次是改进视觉图像处理的算法，增强图像处理的实时性、快速性和准确性。第三、步行敏捷性方面。多足步行机器人有很好的地面适应能力，但在某些地貌，其行走效率很低，而且在机器人动步态步行方面的研究比较缺乏。这就提出机器人动步行步态规划问题。因此多足步行机器人对地面的适应性和运动的灵活性需要进一步提高。随着计算机和智能化的不断进步和实现，使多足步行机器人具备更加广阔的应用前景，多足步行机器人将在更多场合和更加特殊环境中使用。纵览当前多足步行机器人的发展，多足步行机器人有以下几个值得关注的趋势：一、多足步行机器人群体协作。 多个多足步行机器人协调合作共同完成某项任务。与单个多足步行机器人相比，多个多足步行机器人的总负荷更大，可以携带的仪器和工具更多，功能性更强。它们之间通过通信进行协调，也可以按照某种规则指定主机器人和从机器人，从而按照一定的队形和顺序对目标进行不同的测量和操作。而当其中某一多足步行机器人出现故障时，其它机器人还可以照常工作，大大提高了工作效率和可靠性。二、多足步行机器人的智能化。传统步态规划的方法是在机器人逆运动学的基础上，并且己知步行环境，来计算机器人各驱动关节转角的。这就提出了在机器人对未知环境的识别后，具有普遍实用意义的智能化的自主步态规划生成及控制的研究， 以及对机器人实现步行空间精度定位问题的研究。三、多足步行机器人的模块化和可重组。针对不同的工作环境，机器人需要根据环境的变化对自己的姿态进行调整。而模块化设计的多足步行机器人则可以根据环境的不同进行自重构。自重构多足步行机器人比起固定结构的多足步行机器人对地形的适应性更强，可应用的场合更多。因此，自重构机器人是多足步行机器人的发展方向之一。多足步行机器人的主要研究成果和产品随着科学技术的快速发展，科学家研制出各种机器人，数百种不同结构、不同控制系统、不同用途的机器人都已进入了实用化阶段。近些年来，由于资源短缺问题日益严重，很多国家和学者纷纷投入到海洋开发、星际探索等中去，由于多足步行机器人对复杂、未知环境的独特适应能力，以及其灵活、全方位运动的特点，使其在海洋开发、星际探索等领域得到了广泛的应用。所谓多足一般指四足及四足其以上，常见的多足步行机器人包括四足步行机器人、六足步行机器人、八足步行机器人等。国内多足步行机器人的研究成果1991年，上海交通大学马培荪等研制出JTUWM系列四足步行机器人。JTUWM-III是模仿马等四足哺乳动物的腿外形制成，每条腿有3个自由度，由直流伺服电机分别驱动。在进行步态研究的基础上，通过对3个自由度的协调控制，可完成单腿在空间的移动。该机器人采用计算机模拟电路两级分布式控制系统，JTUWM-III以对角步态行走，脚底装有PVDF测力传感器，利用人工神经网络和模糊算法相结合，采用力和位置混合控制，实现了四足步行机器人JTUWM-III的慢速动态行走，极限步速为1.7km/h。为了提高步行速度，将弹性步行机构应用于该四足步行机器人，产生缓冲和储能效果。2000年，上海交通大学马培荪等对第一代形状记忆合金SMA驱动的微型六足机器人进行改进，开发出具有全方位运动能力的微型双三足步行机器人MDTWR。其第一代的每条腿只有2个自由度，无法实现机器人的转向，只能进行直线式静态步行，平均行走速度为1mm/s。将机体的主体部分进行改进设计，由上下两层相互平行的三叉支架组成，将六足改进为双三足，引入身体转动关节，采用新型的组合偏动SMA驱动器，使新一代的微型双三足步行机器人MDTWR具有全方位运动能力。2002年，上海交通大学的颜国正、徐小云等进行微型六足仿生机器人的研究。该步行机器人外形尺寸为：长30mm，宽40mm，高20mm，质量仅为6.3kg，步行速度为3mm/s。他们在分析六足昆虫运动机理的基础上，利用连杆曲线图谱确定行走机构的尺寸，采用微型直流电机、蜗轮蜗杆减速机构和皮带传动机构，在步态和稳定性分析的基础上，进行控制系统软、硬件设计，步行实验结果表明，该机器人具有较好的机动性。2003年哈尔滨工程大学的孟庆鑫、袁鹏等进行了两栖仿生机器蟹的研究，从两栖仿生机器蟹的设计到控制框架构建，研究了多足步行机的单足周期运动规律，提出适合于两栖仿生机器蟹的单足运动路线规划方法，并从仿生学角度研究了周期性节律性的多足步行运动的控制问题，建立了生成周期运动的神经振荡子模型。国外多足步行机器人的研究成果国外对于多足仿生机器人的研究较早，技术比较成熟的主要有美国、德国、日本。其中美国所设计的多足机器人已经达到了实战的要求。近年来公布的资料显示美国国家航空和宇宙航行局（NASA）制作了一系列用于执行太空任务的多足机器人将研究其推向了很高的领域和高度。下面介绍一下国外做的一些技术相对完善的多足机器人，这也是在设计过程中主要参考的对象。为了尽量减少宇航员在恶劣的太空环境维护空间站受到的伤害，急需研制一个空间机器人代替人进行太空作业。2005年，美国国家航空和宇宙航行局（NASA）下属的喷气推进实验室研制成功了能在空间站外面自动运行的名为Lemur六足步行机器人。该机器人主要完成辅助宇航员完成空间站外部设备的检修工作。Lemur是模仿螃蟹腿的结构和章鱼身体的外形特点设计的，它有六只复合的机械臂，如下图所示，机械臂上装有可折叠的工具，六只机械臂与机体相连如图所示。Lemur每只机械臂具有四个运动自由度和一个操作自由度，分别是肩部三个方向转动自由度，肘部一个俯仰自由度和机械手爪的抓取自由度。目前共研制了两个型号，按照Lemur的比例扩大的版本Lemur Iia，可以帮助宇航员在太空中建设较大的建筑物。Lemur复合机械臂和Lemur六足步行机器人“大狗”是美国武器合约商波士顿动力公司（Boston Dynamics）研发的一款科技含量非常高的运输机器人，“大狗”高约1米，重75kg采用汽油发动机驱动。有四只强有力的腿，每条腿有三个靠传动装置提供动力的关节，并有一个“弹性”关节。这些关节由一个机载计算机处理器控制。它体内装有维持机身平衡的回转仪，内力传感器等，可探测到地势变化，根据情况做出调整。它的最高负载量可达340磅，以每小时4英里的速度行走，而且可在丘陵地形上攀登前行，全靠本身的立体视觉系统或远程遥控器确认路径。还有惊人的平衡能力，即使是挨上重重的一脚，它也能马上恢复。视频中机器人在光滑的冰上行走时它数次几乎摔倒，但最终都保持住了平衡状态。视频还显示了机器人应付不同地形的能力，它能沿着陡峭的山坡爬上去爬下来，在多石、泥泞和雪地上行走。视频的末尾显示了它的超强跳跃能力，可以跳跃脚下差不多1米宽的距离。机器人“大狗”美国波士顿动力工程公司（Boston Dynamics）开发了一款世界上跑得最快的机器人――“猎豹”，它能用四条腿以时速每小时18英里(约合每小时29公里)的速度奔跑，打破了有腿类机器人的速度记录。猎豹机器人高2英尺，长3英尺，装配着一系列高科技装备，其中包括：激光陀螺仪、照相机和随载计算机。这款四腿机械机器人具有灵活的脊椎和铰接式头部，能够冲刺，急转弯，并能突然急刹停止，运动方式完全以猎豹等自然界奔跑迅速的动物为模本，设计原型已列入美国国防部高级研究局高级机器人兵工厂装备。机器人“猎豹”如图所示的是设在弗吉尼亚州的美国海军研究局开发的八足仿生机器龙虾，它能够像真龙虾一样适应不规则的海底，在不同的深度敏捷地行动，并且应付汹涌的波涛和变化的海流。从天线和体毛传感器获得的信号在它计算机化的“大脑”中进行处理，并且用来控制其仿生肌肉。机器人共有24个自由度，采用镍钛诺形状记忆合金材料制成的细棍作为线性驱动器驱动，通电加热时肌肉就缩短，使龙虾的腿向上运动，一旦冷却就可以恢复原来的形状，这样交替地加热及冷却就可以复制龙虾腿的运动，实现浮游爬行动作，头部装有的两个钳子可以起到液动控制舵的作用，机器人由电池供电，以半自主方式工作，发现水雷会发出声纳警报，与尾部的水流动力控制平面一起可以使其在行走和作业过程中保持稳定。机器人头部的两个“触须”为灵敏度极高的防水天线，使其具备感知障碍物的功能。八足仿生机器龙虾索尼公司――犬型机器人爱宝（AIBO）“果酱”是一种形体可以改变的机器人。当需要时，它能够进行固体和液体转换，从门缝或小洞进入敌方室内执行任务。“果酱”有6条腿，是用一种特殊的“果酱”材料制成，身体各部分都是柔软的，能够根据需要变换体形。它的核心技术是兼有固体和液体性能的“果酱”技术。一种类似鸵鸟的机器人。它有两条腿，能够在地面飞快地奔跑，能在15秒之内从静止加速到32千米/小时，最大时速43千米，这个速度奥运会冠军也很难达到。之所以叫鸵鸟，是因为该项目的所有灵感都来自鸵鸟。按照计划，该机器人于2012年制造并测试。四足式移动机器人简介曾长期做为人类主要交通和运输工具的驴、马、牛、骆驼等四足动物因其优越的野外行走能力和负载能力自然是人们研究足式机器人的重点仿生对象，因而四足式机器人在移动机器人中占有很大比例，并且从运动稳定性、控制难易程度和制造成本等方面综合考虑，四足移动机器人是最佳的足式机器人。20世纪60年代，四足步行机器人的研究工作才开始起步。随着计算机技术和机器人控制技术的研究和应用，到了20世纪80年代，现代四足步行机器人的研制工作进入了广泛开展阶段。世界上第一台真正意义的四组步行机器人是由Frank和McGhee于1977年制作的。该机器人具有较好的步态运动稳定性，但缺点是该机器人的关节是由逻辑电路组成的状态机控制的，因此机器人的运动受限制，只能呈现固定的运动形式。20世纪80、90年代最具代表性的四足步行机器人是日本Shigeo Hirose实验室研制的TITAN系列。从80年开始至今已研制出3个系列12款四足机器人。第一代四足移动机器人KUMO-I外形似长腿蜘蛛，它是世界上第一个具有自主行走的现代足式机器人。随后研制成功世界上第一个能上下爬行楼梯的四足机器人PV-II。年Hirose教授研制成功脚步装有传感和信号处理系统的TITAN-III。它的脚底步由形状记忆合金组成，可自动检测与地面接触的状态。姿态传感器和姿态控制系统根据传感信息做出的控制决策，实现在不平整地面的自适应步行。另一款有特点的机型是90年代研制的TITAN-VI，TITAN-VI机器人采用新型的直动性腿机构，避免了上楼梯过程中两腿的干涉，并采用两级变速驱动机构，对腿的支撑相和摆动相分别进行驱动。年，日本电气通信大学的木村浩等人研制成功了具有宠物狗外形的机器人Tekken-IV，它的每个关节安装了一个光电码盘、陀螺仪、倾角计和触觉传感器。系统控制是由基于CPG的控制器通过反射机制来完成的。Tekken-IV能够实线不规则地面的自适应动态步行，显示了生物激励控制对未知的不规则地面有自适应能力的优点。它的另一特点是利用了激光和CCD摄像机导航，可以辨别和避让前方存在的障碍，能够在封闭回廊中实现无碰撞快速行走。目前最具代表性的四组步行机器人是美国Boston dynamics实验室研制的BigDog它能以不同的步态在恶劣的地形上攀爬，可以负载高达52KG的重量，爬升斜坡可达35°。其腿关节类似动物腿关节，安装有吸收震动部件和能量循环部件。同时，腿部连有很多传感器，其运动通过伺服电机控制。该机器人机动性和反应能力都很强，平衡能力极佳。但由于汽油发电机需携带油箱，故工作时受环境影响大，可靠性差。另外，当机器人行走时引擎会发出怪异的噪音。国内四足机器人研制工作从20世纪80年代起步，取得一定成果的有上海交通大学、清华大学、哈尔滨工业大学等。上海交通大学机器人研究所于1991年开展了JTUWM系列四足步行机器人的研究。1996年该研究所研制成功了JTUWM-III，该机器人采用开式链腿机构，每个腿有3个自由度，具有结构简单，外形轻巧，体积小，质量轻等特点。它采用力和位置混合控制，脚底装有PVDF测力传感器，利用人工神经网络和模糊算法相结合，实线了对角动态行走。但行走速度极慢，极限步速仅为1.7KM/h，另外其负重能力有限，故在实际作业时实用性较差。
清华大学所研制的一款四足步行机器人，它采用开环关节连杆机构作为步进机构，通过模拟动物的运动机理，实现比较稳定的节律运动，可以自主应付复杂的地形条件，完成上下坡行走，越障等功能。不足之处是腿运动时的协调控制比较复杂，而且承载能力较小。综上所述，在四足机器人研究方面，美国，日本的研究最具代表性，其技术水平已经较为先进，实用化程度也在不断提高。国内四足步行机器的研究起步比较晚，在上个世纪90年代以后才逐渐有了成果，研究水平距世界先进水平还有差距。经过几十年的发展，研究者们对四足步行机器人的关键技术做了大量的分析和实践，在一些基础理论上也取得了很大突破，四足步行机器人的技术水平不断提高，使四足机器人也从一些传统的服务行业走向家居、医疗和特种（如排爆、反恐）领域。概括的来说，世界各国所研制的四足机器人主要有三种类型的应用：（1）作为试验研究的开发使用，如各大学机器人实验室研究的步行机器人；（2）应用到一些特殊场合，如水下探测、火山探测、星际探索等；（3）作为商业用途，如AIBO机器狗。随着计算机和机械设计制造技术的不断发展及在机器人研究方面的应用，四足机器人的研究也将步入新的发展阶段，观察国内外四足机器人的研究可以发现，对四足步行机器人的研究有以下趋势：（1）实现腿机构的高能，高效性；（2）轮，足运动相结合；（3）步行机器人微型化；（4）增强四足步行机器人的负载能力；（5）机器人仿生的进一步深化。双足步行机器人“行走”运动分析双足步行机器人的机构是所有部件的载体，也是设计两足步行机器人最基本的和首要的工作。它必须能够实现机器人的前后左右以及爬斜坡和上楼梯等的基本功能，因此自由度的配置必须合理。首先分析一下步行机器人的运动过程(前向)和行走步骤:重心右移(先右腿支撑)、左腿抬起、左腿放下、重心移到双腿中间、重心左移、右腿抬起、右腿放下、重心 移到双腿间，共分8个阶段。从以上机器人步行过程可以看出:机器人向前迈步时，髓关节与踝关节必须各自配置有一个俯仰自由度以配合实现支撑腿和上躯体的移动，要实现重心转移，髋关节和踝关节的偏转自由度是必不可少的，如图为三个自由度机器人运动简图，它的运动模型是平面的，没有侧向运动，不能保持动态平衡，属于完全动态机器人，只能在斜坡上行走。三个自由度步行机器人运动示意图机器人要达到目标位置，有时必须进行转弯，所以需要有髋关节上的转体自由度。在三个自由度的基础上再添加一个转体(roll)自由度，如图为四个自由度步行机器人运动示意图，它的运动模型也是平面的，也没有侧向运动，它只可以在水平面上沿直线行走几步，然后就会因为摆动腿着地时冲击过大而跌倒。四个自由度步行机器人运动示意图要想使机器人能够侧向运动，需要在髋关节和膝关节分别再添加一个前向自由度和侧向旋转自由度，它的侧面运动是一个倒立摆动模型，侧向关节使它在行走时保持侧向平衡。这种机器人可以在水平地面和斜坡上行走。如图为八个自由度步行机器人行走示意图。八个自由度步行机器人运动示意图如果在膝关节处配置一个俯仰自由度以调整摆动腿的着地高度，使机器人能够上下台阶，实现不同的步态。这样在膝关节再加上2个――俯仰(pitch)和偏转(yaw)自由度，每条腿变成6个自由度，两条腿共12个自由度。髋关节、膝关节和踝关节的俯仰自由度共同协调动作可完成机器人的在纵向平面(前进方向)内的直线行走功能；髋关节的转体自由度可实现机器人的转弯功能；髋关节和踝关节的偏转自由度协调动作可实现在横向平面内的重心转移功能。如图为12自由度步行机器人运动示意图。12自由度步行机器人运动示意图下图为机器人的自由度具体配置示意图。双足步行机器人自由度具体配置示意图双足步行机器人行走机构设计双足步行是步行方式中自动化程度最高、最为复杂的动态系统。双足步行系统具有非常丰富的动力学特性，对步行的环境要求很低，既能在平地上行走，也能在非结构性的复杂地面上行走，对环境有很好的适应性。与其它足式机器人相比，双足机器人具有支撑面积小，支撑面的形状随时间变化较大，质心的相对位置高的特点。虽然双足式步行机器人步态是足式机器人中最复杂、控制难度最大的动态系统，但由于双足机器人比其它足式机器人具有更高的灵活性，因此具有自身独特的优势，更适合在人类的生活或工作环境中与人类协同工作，而不需要专门为其对这些环境进行大规模改造。例如代替危险作业环境(如核电站内)的工作人员，在不平整地面上搬运货物等等。此外将来社会环境的变化使得双足机器人在护理老人、康复医学以及一般家务处理等方面也有很大的潜力。行走机构是足式机器人的关键技术，由于步行运动中普遍存在结构对称性，所以要求设计双足机器人的腿部机构必须是对称的，为保证传动精度和效率，在设计双足机器人腿部机构时，要求其关节轴系的结构必须紧凑，并且必须保证提供必要的输出力矩和输出速度，以满足机构动态步行运动速度和承载能力。本文介绍一种双足机器人实现直线行走、静态转弯及上下楼梯运动的腿部结构设计，为使双足机器人达到设计目标，“腿部关节”必须满足以下要求：1.前向转动关节：关节轴线位于侧向平面内，可以使机器人在前向平面内运动；2.左右侧摆关节：关节轴线位于前向平面内，可以使机器人在侧向平面内运动；3.转弯关节：轴线为铅垂线，可以使机器人做左右转弯动作。如图为机器人行走方向示意图，机器人可以完成前进、后退、平地侧行、转弯、爬斜坡和跨越障碍运动。要使机器人满足以上运动要求，腿部机构必须要有12个自由度，如图为双足机器人的腿部自由度的配置。髋关节处要有3个自由度，分别可以实现前向、侧向和转弯动作；膝关节处只有一个自由度，完成前向运动；踝关节处有两个自由度，实现前向和侧向动作。腿部自由度配置 为减小机器人体积、减轻重量，并保证一定强度，整个行走机构采用1mm的铝合金钣金框架结构，框架具体的设计要有效利用RC伺服电机的尺寸大小（机器人的各关节采用RC伺服电机驱动），使电机的活动范围尽量符合各关节的活动范围。如图为双足步行机器人腿部结构。腿部底端两个宽大的“脚掌”可以增加机器人的稳定性，但也不宜过大，否则会影响其灵活性。腿部结构单足弹跳式机器人弹跳机构设计当前，移动机器人的应用范围日益广泛，甚至已经深入至很多“特殊”领域，比如考古探测、星际探索、军事侦察和反恐行动等。足式移动机器人能够适应凸凹不平的地面环境，比其它移动机器人的应用更加普遍，但是遇到障碍物时，普通的足式机器人就无能为力了，必须将机器人做成弹跳式。弹跳机器人可以轻松越过障碍物，特别适用于未知、崎岖地形，在星际探索、反恐等方面有着不可替代的作用。弹跳机构弹跳机器人的研究灵感来源于动物，比如青蛙的跳跃运动就是一个很好的参照模仿对象。青蛙的前脚比后脚短而细，它们不怎么走动或爬行，经常通过跳跃来移动。青蛙跳跃之前由前脚的移动来调整姿态，通过后腿发达的肌肉产生跳跃的能量。根据这样的启示，可以设计出弹跳模型如下图所视。弹跳机构模型简图下图为弹跳腿原理图。机构的方向齿轮相当于青蛙的前脚，通过和底部齿盘的配合以调整机器人姿态。机构中弹簧代表用来储能和释放能量的弹性装置。弹跳原理图平衡机构弹跳机器人在弹跳过程中很可能“摔倒”，必须为机器人添加平衡设计，以保证弹跳能够持续进行。机构的平衡方式有很多种，最简单的方法是降低机构重心，为降低机器人重心，可以减小单足弹跳机器人的高度或这在机器人底部添加重块，也可以将机器人底部设计成类似于不倒翁的圆形支撑足，这样就能使机器人在弹跳或者落地后修正姿态，保持平衡，准备下一次弹跳。单足弹跳式机器人 如图为单足式弹跳式机器人弹跳过程示意图，中间弹性装置连接机器人上、下两部分结构，底部结构装有起着平衡稳定作用的质量块。跳起前弹性装置处于“放松”状态，当启动驱动机构时，弹性装置收紧并锁定，然后释放，在弹性体的作用下整个机构跳起，在重力作用下机构还会落回地面，落地后由于质量块的的平衡使机构保持稳定，准备再次跳起。单足式弹跳式机器人弹跳过程示意图多足移动机器人单步行组足结构设计目前机器人研究的领域已经从结构环境下的定点作业中走出来，向航天航空、星际探索、军事侦察攻击、水下地下管道、疾病检查治疗、抢险救灾等非结构环境下的自主作业方面发展，同时新的需求和任务也对机器人的性能提出了更高要求。通过对这些自主作业环境特点进行研究我们可以发现，不规则和不平坦的非结构环境成为这些作业任务的共同特点，这样就使轮式机器人和履带式机器人的应用受到极大的限制，多足仿生机器人也就应运而生。多足仿生机器人因其天生具有多关节、多冗余自由度、多种运动模式的特性，使其特别适合在复杂环境下完成搜救、侦查、排除爆炸物和星际探索等任务。多足步行机器人的腿部机构是机器人的重要组成部分，是机械设计的关键之一，腿部性能的好坏直接决定着机器人功能的可行性。从某种意义上说，对多足步行机器人机构的分析主要集中在对其腿机构的分析。一般地，从机器人结构设计要求看，腿机构不能过于复杂，杆件过多的腿机构形式会引起结构和传动的实现产生困难。因此,对多足步行机器人腿机构的基本要求可以归纳为：1.实现运动的要求；2.满足承载能力的要求；3.结构实现和方便控制的要求。为了设计行走机构的结构，我们首先引入空间自由的的概念： 一个杆件（刚体） ，在空间上完全没有约束，那么它可以在3个正交方向上平动， 还可以有三个正交方向的转动，那么就有6个自由度。若在二维空间中有n个完全不受约束的物体，选其中的一个为固定参照物，因每个物体相对参照物都有6个运动自由度，则n个物体相对参照物共有6(n-1)个运动自由度，若在所有的物体之间用运动副联接起来，设第1个运动副的约束为i，如果所有n个物体之间的运动副数目为m，这时的运动自由度应减去所有的约束数的总和。一般地， 多足步行机器人能实现灵活的行走动作， 其腿机构至少必须有两个自由度， 即前后的摆动和上下的抬放运动。构成两个自由度地方法可以都采用回转副，或是采用 一个回转副和一个可伸缩的移动副，还有就是采用两个移动副，将前后的摆动变为前后滑移。但是想利用腿的转动改变前进方向，或是在原地旋转，那腿部机构就至少三个自由度，即在两个自由度腿上加一个水平旋转自由度。如下图为昆虫一腿部模型图，昆虫有3对足，在前胸、中胸和后胸各有一对，我们相应地称为前足、中足和后足。每个足由基节、转节、腿节、胫节、跗节和前跗节几部分组成。基节是足最基部的一节，多粗短。转节常与腿节紧密相连而不活动。腿节是最长最粗的一节。第四节叫胫节，一般比较细长，长着成排的刺。第五节叫跗节，一般由2-5个亚节组成，为的是便于行走，在最末节的端部还长着两个又硬又尖的爪，可以用它们来抓住物体。昆虫腿部有多个自由度，可以在前后和上下方向移动，也可以向任意方向转动。设计机器人足部结构时，可以模仿昆虫腿部模型，并将其简化为根节、腿节、胫节三部分。昆虫腿部模型图本文介绍一种机器人的的重量不多于20kg,在水平地面上以平均速度0.1m/s直线行走的步行机器人单步行足的结构设计。如图为一单步行足完成一次行走的示意图，行走机构由连接杆组成，腿与地面作用产生前进方向的运动力，踝关节可以实现行走所需的前后和上下方向摆动，膝关节可以实现腿的转动改变前进方向。单步行足行走结构示意图当多足机器人行走时，足尖与地面接触会产生冲击，冲击力过大时会对整个机构的稳定性和结构刚性有很大影响。为减小足尖与地面的冲击对机体的影响，可以在足尖处添加一种双缓冲弹性结构，如图为双缓冲弹性足尖结构图。当足尖加速冲击地面时，首先起缓冲作用的是由聚氨酯（橡胶）制成的减震球1，它的减震效果十分明显，而且具有三维延迟复原的特点，特别适合做机器人足尖使用。第二道缓冲措施就是利用弹簧2缓冲，外力通过足尖传递给滑块4，然后由滑块4把力传递给弹簧，为了防止滑块4在滑槽内卡死使弹簧起不到缓冲的作用，把滑块4材料选择具有自润滑性能的聚四氟乙烯，它的摩擦系数非常的小所以在滑槽内滑动所受到的阻力也特别的小，基本不会出现卡死的现象。1足尖滑槽
3聚四氟乙烯滑块
4螺纹连接柱
5减震足尖弹性足尖结构图下图为步行足结构图，材料采用密度较轻的铝合金，关节连接板的作用是连接各模块化关节，传递运动和动力。研究发现，三个关节的长度比例为0.05:0.45:0.5时机器人横向行走的灵活性、轻动性、变向性等性能最好，可以通过控制关节连接板的尺寸来保证腿节长度比例。步行足结构图四足移动机器人腿部常用结构四足步行机器人的腿部结构形式主要有缩放型机构、四连杆机构、并联机构、平行杆机构、多关节串连机构、缓冲型虚拟弹簧腿机构。缩放型机构 缩放型机构具有运动解藕性、缩放性，原动件很小的位移就能够获得较大的足端运动空间，并且其结构简单，易于控制，广泛用于机器人的腿部结构。如图为一种简单的平面缩放型机构，该机构共有3个自由度，即滑块A和C分别沿竖直和水平轴滑动和整个机构绕竖直轴转动。由图可以发现，四边形BCED为平行四边形，C点固定时A点的运动将以FD/ED的比例传到F点，使足端沿垂直方向运动；当A点固定时C点运动将以（FD/ED+1）的比例传至F点，带动足端沿水平方向运动；机构同时绕竖直轴转动时，足端在空间中就可以获得较大的运动空间。缩放型机构刚性较大，传动误差小，但机构的结构较大，质量较重。缩放型机构四连杆机构四连杆机构即把对角线上的两条腿通过连杆连接在一起保持运动的一致性，这种机构结构明了、原理清楚，运行时结构稳定性最好。四连杆机构有多种演化形式，以四连杆机构为腿部机构的设计原则和目的都是为了尽可能保证足端运动轨迹的平整性。不过平面连杆机构输出的轨迹是固定的，且存在一定的死点，只能实施固定的跨步轨迹。如图为四连杆机构模型，由图可以看出采用这种机构的机器人在行走时，可以保持“对角线运动一致”，机器人行走较平稳。四连杆机构模型并联机构并联机构是一种并行三连杆机构，它由3个驱动器直接驱动机器人腿的3个自由度（大腿、小腿的抬放和侧向转动）。该机构可以实现全方位运动，但因为每条腿上有三个自由度，需要三个驱动器分别直接驱动。如图为并联机构的腿部模型。并联机构的腿部模型并联机构虽然控制系统较为复杂，但其负载能力强，且可以实现多方位运动，具有较好的应用前景。如图为四足支撑并联机构的简化模型，地面为定平台，机身为动平台，四条腿为支链，足端与地面接触可以看作是球面副。四足支撑时的并联机构简化模型多关节串连机构多关节串连机构四足机器人是模拟狗、马等动物的运动机理和腿部构造，实现比较稳定节律运动的机器人。多关节机构具有活动范围大，灵活性好的优点，且机构比较简单、不存在死点，采用这种机构的四足机器人可以自主应付复杂的地形条件，完成上下斜坡、翻越障碍等动作，但其腿运动的协调控制比较复杂，并且承载能力较小。缓冲型虚拟弹簧腿机构含有弹性元件的缓冲型虚拟弹簧腿机构，利用弹性元件把刚性连接变为柔性连接，减缓机器人在动态行走时的冲击以及由此产生的振动，行走稳定并且高效，缓冲型虚拟弹簧腿机构有着越来越光泛的应用。如图为缓冲弹簧腿机构简图。缓冲型虚拟弹簧腿机构简图四足移动机器人行走机构分析四足移动机器人的行走机构是机器人所有控制及运动的载体，是机器人的重要组成部分，也是机械设计的关键之一。一般而言，行走机构要满足能够输出一定的轨迹、实现给定的运动要求、具有一定的承载能力和方便控制的要求。世界各地的一些专家和学者对步行机器人的步行机构已经进行了大量的研究，其结构有多种形式，主要可以划分成三种机构：开环连杆行走机构、闭环平面四杆缩放式行走机构、特殊的步行机构。开环连杆行走机构步行机器人行走机构的研究，一般是仿照动物的腿部结构来对步行机构进行设计，这种机构大部分是由关节式连杆机构来实现。它的优点是具有紧凑的结构，步行机构能够实现较大的运动空间，并且运动非常灵活，因为关节式的步行机构链接的部分是关节，所以在行走的过程中不稳定的状态能够快速的恢复平衡。缺点是想要实现运动时的协调控制比较困难，并且它的承载能力比较小。如图所示为常见的开环关节连杆行走机构的三维模型简图，这种机构是由大、小腿以及髋关节等部分构成的。平面运动机构的主要组成部件是大、小腿，空间运动则是由髋关节驱动平面机构实现。开环连杆行走机构建立如图所示的平面坐标系，髋关节为第一关节，它在O1点环绕Z轴转动，设它的旋转半径为L1；大腿关节为第二个驱动关节，在A点环绕着和大、小腿的运动平面所垂直的轴进行转动，大腿的杆长为L2；小腿关节为第三个驱动关节，在B点环绕着和大、小腿的运动平面垂直的轴转动，小腿杆的长度为L3。同时设逆时针方向为正向角，髋关节、大腿关节、小腿的驱动转角分别为α、β、Φ，根据上图可以建立足端C点的运动轨迹方程如下：?xc?ucos??
?yc?usin??z?v?c其中：u?L1?L2cos??L3cos(90???)；v?L2sin??L3sin(90???)。开环连杆行走机构坐标系建立通过上式和图形可以得到，小腿杆能够在转过大臂上部空间内运动（就像人的小臂运动一样），因此在运动的时候，由于臂的末端C点能运动到比较大的区域，在髋关节进行转动时候，机构的运动空间可以实现三维椭圆状。但是采用这种机构作为步行机构，在机器人的行走过程中，机器人足端的运动范围不能够实现整个可达运动空间的覆盖，大腿杆在转动时也不能到达所有的区域。从上面的原因中能看出，小腿和地面法线的夹角要在一定的范围之内才能够实现。n设小腿能够转动最大的角度为?max和小腿的最大内向（顺时针）驱动角度为?max，如图为小腿的摆动约束简图。由此可得小腿在两个极限位置下的运动范围：小腿的摆动约束?umax?L1?L2cos?1?L3cos(90???max)
? n?umin?L1?L2cos?2?L3cos(90???max)由上式可知，对于不同的高度值，足端的运动轨迹类似椭圆曲线，当髋关节转动时，足端形成三维的运动空间，足端的运动空间如下图所示。足端运动空间示意图闭环平面四杆缩放式行走机构闭环平面四杆机构并没有开链式结构承载能力低的缺点，它拥有比较好的刚性和较小的功耗，因此具有较广泛的应用。如图所示为一种比较常见的闭环平面四杆步行机构，它的协调控制非常简单。缩放式腿部的结构拥有比例特性，可以按比例放大驱动器的推动距离从而得到足端的运动距离，它的不足之处是：不论是圆柱坐标还是直角坐标的缩放机构，都需要二个以上的线性驱动关节，这就导致了机械结构较大，质量较重，而且驱动距离限制了机器人足端的运动范围，很难得到比较大的运动空间。闭环平面四杆行走机构我们建立如图所示的坐标系B点髋关节，绕Z轴转动，转角为α，悬长为L1；O2点为大腿杆AO2的旋转点，杆长为L3，其与BO1的延长线的夹角为β；1O点为大腿杆O1O2的旋转点，杆长为L2，其与BO1的延长线的夹角为Φ；由此可推出A点的运动轨迹方程为：?xA?ucos??
?yA?usin??z?v?A式中：u?L1?L2cos??L3cos(???)；v?L2sin??L3sin(???)。平面四杆行走机构坐标系建立从所周知，在四杆机构中二根杆重合的时候，机构将会出现死点，为了防止四杆机构死点的产生问题，比较实用的做法是规定一个小腿杆与大腿杆的最小夹角γmin和最大夹角γmax，即在大小腿杆之间的夹角无论在任何情况下都必须要在最小夹角和最大夹角之间。就是因为这种限制要求，导致了大小腿的运动受到比较大的限制，组成了平面运动机构。特殊的步行机构特殊步行机构的使用范围较小，一般仅仅局限于一些特殊的场合，针对某些领域的某一特殊需求，特殊步行机构具有很大优势，但其不适合一般性的分析于研究。四足移动机器人腿部运动分析四足机器人是具有实现静态步行的最少腿数，也适合于动态步行，实现高速移动，因此，对四足步行机器人的研究，具有特殊的重要性。一般而言，不要设计比较复杂的四足行走机构，杆件太多的步行机构会直接增加结构和传动实现的难度。机构自由度分析要设计一种能够灵活、全方位运动的机器人的行走机构，机器人腿部必须具有一定的自由度。腿部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，平面机构的步行“腿”要实现固定步态步行，只须一个自由度就行了；但是要使步行腿在平面内能实现变步态步行，则最少需要两个自由度，这时机器人只能作不改变方向的直线运动；如果要使机器人完成转弯运动，则必须还得添加一个旋转自由度。如图为四足步行机器人总体结构示意图。1踝关节 2小腿 3膝关节 4大腿 5臀关节 6 髋关节 7机体 8控制系统四足步行机器人总体结构示意图由上图可以看出，四足机器人由四条腿和机体组成，每条腿由踝关节、小腿、膝关节、大腿、臀关节、髋关节组成，在各主动驱动关节（膝关节、臀关节、髋关节）上分别装有驱动电机，驱动被动关节（踝关节）从而带动整个机构运动。小腿和大腿分别可以绕膝关节和臀关节在一定的角度范围内摆动，实现直线行走运动；整条腿可以绕髋关节转动，完成转弯运动。步态运动分析对于足式机器人来说，其稳定性主要取决于步态，而步态就是行走系统抬腿和放腿的顺序，分为静态和动态两种形式。四足动物存在多种步态，而目前比较常见的步态主要有慢走、慢跑、对角小跑、溜蹄、跳跃、定点旋转、转向等。慢走步态是四足动物的最基本步态，也是最常见的静态步态，如图为慢走步态的行走过程示意图。慢走步态过程简图开始时机体处于站立状态，中心位于前后腿连线的交点，接着处于对角线上的前腿2和后腿4向前摆动，前腿1和后腿3起到支撑作用，机器人重心位于腿1、3连线上，摆动腿2、4向前跨步的同时腿1、3驱动相应关节，使机体向前移动，造成模型重心前倾，恰好使重心在1、3的对角线稳定区域内。在机体移动到位时，摆动腿2和4立即放下，四腿着地，保持平衡站立状态。接着，原支撑腿1、3抬起并向前跨步，腿2、4呈支撑相。支撑腿2、4驱动各关节使机体前移，并且模型重心开始前倾，恰好使重心在支撑腿2和4的对角线稳定区域内。接着2、4立即放下，四腿着地，保持平衡状态，这样既完成整个步行周期动作。对角小跑是四足动物最常见的动态步态，下图为对角小跑的步态过程简图。在这种步态中，机器人按照1、4→2、3的顺序抬腿，完成一个步态周期运动。从初始状态a开始，处于对角线上的腿1、4同时向前抬跨，此过程中，腿1、2相对机体顺时针旋转，腿3、4相对机体逆时针旋转，整个机体向前移动到b状态；接着处于对角线上的腿2、3同时向前抬跨，此过程中，腿1、2相对机体逆时针旋转，腿3、4相对机体顺时针旋转60°，整个机体向前移动到达c状态，机器人恢复到初始姿态。如果精确控制腿相对机体旋转的角度，就可以计算出机体向前移动的距离。按如图角度旋转各腿时，机体每次向前移动100mm，整个步态周期中机体重心前移200mm。对角小跑过程简图四足移动机器人行走机构设计自然环境中有很多地方，如森林、草地、湿地、山林、海底等拥有巨大的资源，要探测和利用且要尽可能少的破坏环境，四足步行机器人因其优越的野外行走和负载能力使其成为野外和海底探测工作的首选。四足机器人最经典之作是由2006年7月，波士顿动力学工程公司（Boston Dynamics）展示了的四足机器人―“Big Dog”，如图所示。该项目有美国国防部高级研究计划署 (DARPA)资助，该机构希望“大狗”可以在那些军车难以出入的险要地势助士兵一臂之力。最新款“大狗”可以攀越35度的斜坡。液压装置由单缸两冲程发动机驱动。它可以承载40 多公斤的装备，约相当于其重量的30%。“大狗”还可以自行沿着简单的路线行进，或是被远程控制。该公司打破以往机器人设计中的动力源为电机的传统，而采用发动机的形式驱动机器人，使其有非常大的驱动力矩，从而实现高负载运输任务。该机器人长1米，高70cm， 自重75千克，最大载重量为50千克。机器人依靠感觉来保持身体的平衡，如果有一条腿比预期更早地碰到了地面,计算机就会认为它可能踩到了岩石或是山坡,相应地调节自己的步伐。行走机构的性能要求四足步行机器人中，行走机构的设计是机器人设计的关键。四足步行机器人行走机构的设计和所有机械结构设计的要求一样，包括对行走机构整机的设计要求和对组成零件的设计要求两个方面，两者相互联系、相互影响。要实现复杂环境的自由行走，腿部机构至少应该有3个自由度，这样足端才能具备一个立体的三围运动空间，并且行走机构还应具备足够的刚度。总的来说，四足步行机器人行走机构的设计要有如下性能要求：（1）要有足够的刚度且质量应尽可能的小，甚至要有一定的承载能力；（2）机构的输入和输出运动关系应尽可能简单，推进运动、抬腿运动最好是独立的；（3）平面连杆机构不能与其他关节发生干涉；（4）实现直线运动的近似程度，不能因直线位置的改变而发生较大的变化。总体方案的确定根据仿生学，腿结构一般分为髋关节、大腿、膝关节、小腿、腕部，其中髋关节有实现水平旋转和俯仰的两个自由度；膝关节实现俯仰，为使整条腿有较好的灵活度和利于整体的稳定性控制，采用两个自由度；腕部实现俯仰的一个自由度。综上拟定每条腿有5个自由度的四足仿生机器人，其结构简图如下。四足仿生机器人结构简图初选整体尺寸为：长900mm、宽1800mm、高750mm 。为限制过载转矩起到保护作用和输出恒定转矩，采用带驱动系统，腿部结构方案示意图如下图所视。腿部结构方案1腿 2从动带轮 3带固定点 8惰轮 11驱动带轮 12蜗轮 13蜗杆 21机体
6、10皮带 15、19减速器 14、16、20电机4、5、7、9、17、18齿轮按工作要求，四足仿生移动机器人要实现全方位行走，且适应复杂地形。在保证足够强度、刚度的条件下，对整个腿的质量要加以限制，减少驱动源的动力消耗，使机器人轻便灵活，这要求足轻而且坚固，选择LY2硬质铝合金作为腿的结构材料。腿部结构尺寸为：髋关节长度L1=150mm；大腿长度L2=450mm；膝关节长度L3=150mm；小腿关节长度L4=450mm；足长L5=100mm。行走机构设计参考国内外四足移动机器人行走机构的结构设计，并根据设计要求，对各个回转关节的传动方案和结构单独分析，分别加以设计。1.髋关节设计机器人腰部（髋关节）外安放一驱动电机1，驱动内部齿轮2和齿轮3的传动装置，实现竖直主轴4的转动，从而实现大腿5，小腿6等工作部分的旋转自由度，如图腰部设计内部传动图。腰部传动设计1驱动电机 2齿轮 3齿轮 4竖直主轴 5 大腿 6小腿2.大腿和小腿关节设计在大腿与肩部连接关节处安装一驱动电机7，带动与之相连的蜗杆9旋转，进而带动与蜗杆啮合的蜗轮8旋转，蜗轮旋转使得与之相连的轴10旋转，这样最终带动大臂5，使大臂绕轴旋转，如图为大臂传动设计。大臂传动设计7电机 8蜗轮 9蜗杆 10传动轴小臂与大臂之间通过膝关节连接，大腿上装有电机，带动带轮12旋转，用一圆带13连接带轮14，带轮14与膝关节用键连接使其无相对旋转，电机旋转时膝关节与大腿便产生相对转角。齿轮15通过轴16及键固定在大腿上，膝关节与大腿的相对转角通过齿轮17传递给18，齿轮18与小腿无相对运动，这样小腿跟膝关节便产生一个与膝关节跟大腿相同大小的相对转角，且由齿轮传动的变相性小腿与膝关节的旋转方向一致，设计如图所视的小腿传动结构。11电机 12带轮 13圆带 14带轮 15、16、17、18齿轮小腿传动设计3.腕部关节设计设计机器人手腕自由度数时，要根据作业需要来定。要使机器人各关节的运动角度愈大，则手腕自由度数目应愈多，那么机器人的灵活性就愈高，在作业中就会表现出愈强的适应能力。同时腕部结构的复杂性会随自由度的增加而增加，机器人的控制也就更困难，使其成本增加。要根据实际作业要求来确定手腕的自由度数,在能达到作业要求的前提下，应尽可能的减少自由度数。一般的机器人手腕有2至3个自由度，有的则需要更多的自由度数，而有不需要自由度，实现作业的任务要求仅凭受腰部和臂的运动就能完成。所以要具体问题具体分析，考虑四足机器人的运动方案，多种布局，选择最简单的方案并使其满足要求，综上则该四足仿生移动机器人腕部采用一个自由度。机器人腕部安装在足式机器人腿部的末端，在设计时应尽量减少手腕的体积和重量，使其结构紧凑。采用分离传动驱动器的腕部机构，以减轻机器人腕部重量。腕部驱动器不采用直接驱动，一般在手臂上安装驱动器，并且采用铝合金等强度高材料制造。机器人的末端执行器要联在手腕上，所以要有标准的法兰联接，在结构上使末端执行器装卸简便。在力与运动传递的过程当中，机器人的手腕机构要体现足够的刚度和强度，用以保证实现其动作。为减小空回间隙，提高传动精度，应设有可靠的传动间隙调整的机构。为避免超限造成机械损坏，在各关节轴转动处要有限位开关，且设置硬限位。综上腕部结构及传动设计如下：腕部关节设计20传动电机 30传动轴 31 手腕部分28、29 圆柱直齿轮 21、23、27带轮 22、24、26带由腕部转动设计图，我们可以看到电机20驱动带轮21旋转，通过带22、带轮23、带24、带轮25、带26、带轮27将动力传递给齿轮28，与之啮合的圆柱直齿轮29旋转，并带动传动轴30从而可实现手腕部分31的旋转自由度。该方案的结构相对复杂，但整体重量相对较轻，且紧凑性更好，可以自由选择电机类型。六足移动机器人运动学分析 足式机器人的每个步行足可以看作是一个串连的开式运动链，各关节连杆通过转动副串连在一起。如图为步行足运动示意图，两个关节之间连有转动机构，每个转动机构有一个自由度，每条腿就有3个自由度。通过驱动转动机构，可完成腿部的侧摆、仰俯、曲伸动作，再与其它腿部配合就可以实现机器人的行走运动。步行足运动示意图六足机器人的步态丰富，有三角步态、四足步态、波动步态、自由步态四种形式。三角步态是实现六足步行机器人行走的典型步态，采用三角步态行走时机器人的身体重心低，不用协调Z向运动，容易稳定，这种行走方式广泛运用于六足步行机器人的行走机构设计中。所谓三角步态即分布在机器人两侧的6条腿分成左右两组，分别组成两个三角形支架，依靠大腿前后划动实现支撑和摆动过程。如图为三角步态简图，图中机器人的髋关节在水平和垂直方向上运动，此时，B、D、F 脚为摆动脚，A、C、E脚原地不动，只是支撑身体向前。三角步态简图当需要转弯时，机器人以一足为中心支撑原地转弯。下图为机器人右转弯的示意图，图中以E为支撑中足，右转弯运动的过程如下：1）.首先A、C、E 腿抬起，然后A、C 腿向前摆动，E腿保持不动，B、D、F腿支撑。2）.A、C、E腿落地支撑，同时B、D、F腿抬起保持不动。3）.A、C腿向后摆动。整个运动过程中B、D、E、F 不做前后运动，只是上下运动。右转弯的示意图六足移动机器人行走机构设计六足步行机器人是模仿六足动物的腿部结构，能够完成多种移动功能的一种特种机器人。六足机器人能够在各种复杂的环境中稳定地行走，可以代替人从事完成在一些危险、未知等环境中的作业。足部机构分析足是昆虫的运动器官，昆虫有3对足，行走是以三条腿为一组进行的，即一侧的前、后足与另一侧的中足为一组，这样就形成了一个三角形支架结构，当这三条腿放在地面并向后蹬时，另外三条腿即抬起向前准备替换。前足用爪固定物体后拉动虫体向前，中足用来支持并举起所属一侧的身体，后足则推动虫体前进，同时使虫体转向。这种行走方式使昆虫可以随时随地停息下来，因为重心总是落在三角支架之内。步行机器人的足部机构是行走运动的载体，所有运动都要靠足部实现，参考昆虫的足部结构，并将其简化设计步行机器人的行走机构，如图为六足步行机器人的简易模型。机器人的一支脚共有两个关节，一个关节采用左右式移摆，使机器人能够做前后运动；另一个关节则是采用偏摆式，使脚可提高放下，做上下运动，是机器人完成转弯。六足步行机器人简易模型下图为单个足部的行走机构简图，机构采用连杆结构，每条腿部均有三个自由度。通过A点实现第一个自由度，即控制机器人腿的上下抬放运动，B为摆动中心轴，A处上下循环运动，带动连杆机构周期性的上下抬放。以C点实现第二个自由度，即控制机器人腿的前后运动，C点前后循环运动带动连杆机构周期性前后摆动。第三个自由度，机器人的转向无需在增加原动件，只需在步态控制上就能达到，简单地说如果左侧腿摆动比右侧慢，则机器人向左拐，反之亦然。行走机构简图
腿部传动机构确定多足步行机器人腿部关节数目多，结构要求紧凑，要合理布置腿部机构，以减小步行足的结构尺寸，符合步行足细长的结构外形是电机驱动形式和减速机构所要解决的关键问题之一。根据以上要求，适合于多足机器人的传动方式主要有以下几种：1 绳轮传动绳轮传动方式是目前仿生机器人常采用的关节传动方式，这种传动方式可实现运动和动力的远距离传送，但此类传动方式存在这滞后的现象，有较大运动传递误差，另外绳索只能承受拉不能受压，故很难实现回程，此外在短距离狭小空间内难以使用这种传动方式，这种传动方式不适于应用在微小型机器人中。2 带传动带传动目前多用于机械臂式机器人中。带传动不能保持准确的传动比，且存在传动效率和强度低，疲劳寿命短不便控制的特点，这种传动方式在微小型机器人应用方面存在很多的局限性。3 链传动链传动是以链作为中间挠性件，依靠链与链轮齿的啮合来传递运动和动力的传递方式，由于链条齿轮的摩擦容易使链条松弛，齿轮磨损，且传动噪声高，这种传动方式不适于应用在微小型机器人中。4 连杆传动连杆传动机构对多足机器人这类短距离的运动和动力传送是一种可行的方案。但连杆传动方式一般会增加机器人结构的复杂程度，使机械结构的设计和加工变得困难。5 蜗轮蜗杆传动蜗轮蜗杆传动方式传动比较大，结构很紧凑，当蜗杆的螺旋升角小于啮合面的当量摩擦角时蜗杆便具有了自锁性。蜗轮蜗杆传动广泛用于两轴交错、传动比较大，传动比不太大的或间歇工作的场合。本课题所设计的多足机器人在行走的过程中要使各关节保持每个运动姿势，要达到此要求有两种方式可供选择：一种方式是利用电机的持续供电来达到自锁的要求，另一种方式就是传动系统具有自锁性能。考虑到所设计的机器人如果进行野外作业时能源问题是制约机器人的主要因素，机器人的驱动能力有限，不可能运载过大的车载电源，在机器人进行作业时完成一步指令时等待控制系统发出下一步的运动指令之间就需要关闭驱动系统电源，这样可以达到节约能源的目的，延长机器人的作业时间。因此我们选择了蜗轮蜗杆传动，当蜗杆的螺旋角小于啮合面的当量摩擦角时就可以满足自锁的条件，而且蜗轮蜗杆是传递交错轴动力的这样可以使电机作为腿部的一部分，使结构更加的紧凑，由于蜗杆齿是连续不断的螺旋齿，它和蜗轮齿是逐渐进入啮合及逐渐退出啮合的，同时啮合的齿对又较多，故冲击载荷小，传动平稳，噪声低，这对于隐蔽作业都是非常有利的。根据蜗杆形状的不同，蜗杆传动可分为圆柱蜗杆传动，环面蜗杆传动和锥蜗杆传动，如图为三种传动类型。普通圆柱蜗杆中阿基米德蜗杆的应用最广范，但是这种蜗杆的磨削非常的困难，当导程角较大时加工不便。如果磨削效果不好，将导致摩擦非常的严重，效率很低而且过分发热，使润滑情况恶化，传动效率仅为20%左右。本课题所设计的多足机器人用于野外的作业，工作环境比较恶劣，出于减轻整机重量的考虑，箱体的设计为半封闭形式，润滑肯定达不到预期的效果，所以不选择此种类型的蜗杆。锥蜗杆传动由于结构上的原因，传动具有不对称性，因而正反转时受力不同，承载能力和效率也不同。如果使用它作为多足仿生机器人关节传动系统，这将对机器人主控系统提出很高的要求，因为多足机器人在行走的过程中反复的正转和反转，应该尽量使正传反转对称的结构这样可以使用相同的控制原理，简化了控制系统的设计任务。环面蜗杆传动一种比较的传动方式，但是设计的电机直径较小，小直径的环面蜗杆加工非常的困难，精度要求也较高，而且蜗杆边缘厚度小，很难满足强度的要求。通过以上的分析最终选择了圆柱蜗杆传动中的圆弧圆柱蜗杆传动（ZC蜗杆），该种蜗杆和普通圆柱蜗杆传动相似，只是齿廓形状有所差别。它的主要特点为：效率高；一般可达到90%以上；承载能力高，一般可较普通圆柱蜗杆传动高出50-150%，体积小，质量小，结构紧凑，特别适合应用在机器人中。蜗杆三种传动类型关节连接板设计关节连接板的作用是连接各模块化关节，传递运动和动力，设计时在保证连接强度可靠基础上尽量使质量最轻。选材时可以选择了密度较小、强度较好的材质，如铝合金。国内外学者通过对仿生腿式机器人进行研究发现，仿生腿式机器人的行走步长、腿节关节比例、各关节轴线方向、躯体离地高度、行走方向等参数都会对机器人的灵活性、轻动性变向性等性能产生影响，当机器人横向行走，基节、股节、径节三个关节的长度比为0.05:0.45:0.5时机器人的灵活性、轻动性、变向性等性能最好。为了满足腿节长度比例，提高机器人移动性能，可以通过控制关节连接板的尺寸来保证。如图为六足机器人的单腿结构图，腿的外部采用了塑料壳体包装设计，由图可以看出，单腿由基节、股节、胫节和基关节、股关节、膝关节组成。单腿的数据分别为基节68mm、股节130mm、胫节133mm、单腿长度330mm、单腿重量460g。单腿结构图下图为六足机器人整体效果图，六足机器人整体效果图简易双足式移动机器人Diy一、物品清单?木板或木盒。这个比较容易获得，可以在家里的储物间或者车库“寻宝”哦。 ?舵机控制器。可能需要购买，网上有很多，价格也不高。?USB转串口的适配器。可以和上面一起买来。?舵机×2。一次购买两个。?USB转接线。这个我想应该都不缺吧。?万向轮。可以用玩具车的轮子改装，如果是土豪的话请随意。?胶水。推荐热溶胶，也可以使用其它胶水。?Candy eyes?Toy mouth二、制作底盘用已经找好的木盒或木板拼接而成，尺寸大约为13mm×18mm当作底盘（如果想要外观好看一点，可以贴上装饰物或者涂鸦），在盒子两个对称的地方打两个通孔，用来伸出舵机的两个输出轴以连接机器人的两只脚，所以孔的尺寸依据购买舵机的形状和尺 寸来确定。如图为制作的底盘。三、电子元件安装首先，用热溶胶水把两只舵机分别固定在两个孔的边上，注意要把舵机的两个输出轴伸出来。接着，准备两组电池：一组6V的，用来向舵机控制器供电；一组9V的，用来向舵机供电。用胶带将它们固定好（如果你有更好的办法也行），要方便拆卸，等到需要换电池的时候不用大费周章。然后，把舵机的控制器装到底盘上。控制器电路板上有一个小洞，用一个螺钉把控制器固定在底盘上，注意螺钉不要超过木板厚度。最后，安装USB转串口的适配器。这是最小的一个零件，上面也没有孔来固定，所以安装的时候最好用胶带，避免伤到适配器和板上其他原件。四、调试机器人首先，把舵机上的两组线连接到输入输出的0-7根针上。接下来，把舵机控制板和USB转串口适配器焊接到一起，把电池也接到板上。注意看下面的图片，尽量依照我的经验来连接它们（注意不要让周围的针焊连接到一起，要不然就会导致电路的破坏）。根据下图将电子元件连接到一起。将舵机控制器和USB转串口适配器连接到一起：?从逻辑层的串口输入针引出的一根线连接到红点。?从GND输出的线连接到绿点。（电池：红、黑点是4-6伏；黄、黑是5-16伏。）舵机控制器USB转串口适配器接线完成后，盖上盖子。拿出USB转接线，一端连接USB转串口的适配器，另一端就插在电脑的USB口上（可以在底座上打一个洞，方便USB转接线连接和固定）。为了让适配器正常地工作，我们需要一个USB转串口适配器的驱动，你可以网上下载获取。用C++为机器人编程，编写你想让机器人执行的动作的程序并调试，这个需要良好的C语言编程基础，不会的话可以在书上或网上找别人编写的程序用一下。五、安装行走机构截取两个长约10cm的木条，用胶水或者螺钉把它固定在舵机的舵盘或舵杆上，在木条的末端给机器人加上两个脚掌，这样可以增加机器人的稳定性。接下来在机器人的底部连接一段合适长度的木条，使它像尾巴一样伸在后面，在木条的另一端连接并固定万向轮。注意，轮子的总长和两足的长度要一样，这样机器人的身体才能平衡。最终结果如下图所视。双足式移动机器人Diy简单四足移动机器人制作综合考虑承载能力、灵活性、稳定性以及机构设计的复杂程度等因素，四足式机器人以其固有的优势成为足式机器人中应用最多的一种。本文介绍一种简单的四足机器人制作。 材料清单两个电机，机器人的腿（可以用直径合适的铁丝弯制），电池，底板（塑胶材料底板，当它在热水中加热时就会变软，冷却后又会恢复硬度），用来将电池和电机固定在底板上的螺钉，一小块电路实验版（可以在电子市场买到），一个用来安放ATMega的28针芯片插座，胶，烙铁和焊锡，以及刀子。制作过程1.用刀子在机器人的底板上划出两个安放电机的孔。2.将底板放入热水中浸软，弯曲底板（弯曲角度最好为30°），待底板冷却后再底板上钻四个螺纹孔，用螺钉将电机固定在底板上。3.把折弯好的腿部用铁丝固定在伺服电机的十字臂上。4.将绑上了腿部的十字臂固定到伺服电机上，5.把机器人的前后腿一点点折到图中所示位置，注意不要弄坏了你的伺服电机。6.继续弯折机器人腿部，使机器人“站立起来”，要保证前后腿左右基本对称。7.在电路实验板上制作插针（胶水粘贴）：两个三针的用来连接伺服电机，一个两针的用来接电池，一个五针的用来传输程序到单片机里，还有一个28针的插座用来安放单片机。所有的插针粘好后，在实验板的反面用电线按照电路原理图将必要的针脚焊接在一起，并把它固定在电机座上。8.编程，用电脑为机器人编写简单的动作程序并下载到单片机中，到此机器人就制作完毕了，制作的机器人就能够蹒跚起步了。如果你想要机器人更加美观，你可以为机器人穿上“鞋子”、添加外壳等。简单六足移动机器人制作看了各种关于机器人的科幻片，你就没有想过自己做一个片中的机器人出来么? 实干派的可不是只会幻想的哟。本篇文章介绍了用廉价又好加工的PVC材料制作六足昆虫机器人，以下是制作材料和过程。1.PVC线槽：制作关节和基础结构，若干。将PVC线槽切成大腿关节的形状，共6只做成两两对称。2.2.5g微型舵机：控制关节运动，每只脚三个自由度，共需18只舵机。 在关节件上挖孔，用来安装舵机，孔的尺寸与舵机外形相同。把舵机装在挖好孔的关节件上。3.安装躯干 把带有舵机的关节件安装在PVC线槽主躯干上，关节舵机与躯干是靠舵盘连接的，舵盘用自攻螺丝固定在躯干上。躯干上预留的孔洞是最后总装时用自攻螺丝固定舵机主轴。4.制作小腿组装完整结构 用PVC线槽制作小腿并安装舵机（与大腿制作过程相同，只是结构不同），把小腿用PVC线槽连接在大腿上，这样完整的机器人结构就组装好了。5. MEGA16单片机芯片：控制电路（也可以直接用舵机控制板）完成基本电路安装，舵机和单片机分别用一组电池供电，并将单片机连接电脑，编写动作程序，然后进行简单的舵机控制调试。6.机器人运动如图为机器人完成站立动作。
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