1BEIJINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY第三篇仿生機(jī)械設(shè)計(jì)與分析BEIJINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY第六章仿動物步行的機(jī)械及設(shè)計(jì)

第六章仿動物步行的機(jī)械及其設(shè)計(jì)4第六章仿動物步行的機(jī)械及設(shè)計(jì)第一節(jié)步行機(jī)械概述一、步行機(jī)械的優(yōu)點(diǎn)1、適應(yīng)復(fù)雜路面運(yùn)動第一節(jié)步行機(jī)械概述2、足式運(yùn)動的身體與腿部運(yùn)動可以解耦，穩(wěn)定性好。3、能耗小崎嶇堅(jiān)硬路面速度松軟地面（25.4cm深度）推進(jìn)功率輪式車輛5

8km/h

輪式車輛11.3kw/t履帶車輛8

16km/h

履帶車輛7.46kw/t足式運(yùn)動可達(dá)56km/h

足式運(yùn)動5.22kw/t輪式、履帶式車輛與足式運(yùn)動對比5第六章仿動物步行的機(jī)械及設(shè)計(jì)第一節(jié)步行機(jī)械概述二、步行機(jī)械的分類與研究內(nèi)容1、步行機(jī)械的分類（1）按照步行方式分類兩足步行機(jī)械按步行足數(shù)分類四足步行機(jī)械多足步行機(jī)械六足步行機(jī)械（2）按步行足的多少分類走行機(jī)械爬行機(jī)械按步行方式分類八足步行機(jī)械6第六章仿動物步行的機(jī)械及設(shè)計(jì)第一節(jié)步行機(jī)械概述2、步行機(jī)械的研究內(nèi)容（1）模仿動物結(jié)構(gòu)，研究步行機(jī)械腿的結(jié)構(gòu)、原理等，設(shè)計(jì)仿生機(jī)械腿（2）研究行走步態(tài)，進(jìn)行各腿的運(yùn)動協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)與控制。（3）研究行走穩(wěn)定性。（4）研究行走的轉(zhuǎn)向與控制手段。（5）研究仿生機(jī)械的動力分配與傳遞。（6）研究仿生機(jī)械的感知新系統(tǒng)。（7）研究仿生機(jī)械的仿生外形。7第六章仿動物步行的機(jī)械及設(shè)計(jì)第二節(jié)步行機(jī)械的腿及其設(shè)計(jì)步行機(jī)械腿分為閉鏈連桿型和開鏈連桿型機(jī)械腿一、閉鏈連桿型腿的結(jié)構(gòu)第二節(jié)步行機(jī)械的腿及其設(shè)計(jì)1、四桿機(jī)構(gòu)腿機(jī)構(gòu)

四桿機(jī)構(gòu)腿結(jié)構(gòu)簡單，剛度好。動作可靠，因而應(yīng)用廣泛。

四桿機(jī)構(gòu)腿可直接按照足端運(yùn)動軌跡曲線設(shè)計(jì)。8第六章仿動物步行的機(jī)械及設(shè)計(jì)圖示的二足步行機(jī)械腿機(jī)構(gòu)中，大腿機(jī)構(gòu)為四桿機(jī)構(gòu)、小腿機(jī)構(gòu)也為四桿機(jī)構(gòu)。但驅(qū)動方式是液壓驅(qū)動。第二節(jié)步行機(jī)械的腿及其設(shè)計(jì)9第六章仿動物步行的機(jī)械及設(shè)計(jì)2、多桿機(jī)構(gòu)腿在四桿機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用機(jī)構(gòu)組合原理，組成一個多桿系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)腿，能比較準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)運(yùn)動軌跡，但設(shè)計(jì)要復(fù)雜些。圖示的二足步行機(jī)械腿機(jī)構(gòu)中，小腿機(jī)構(gòu)為曲柄搖塊機(jī)構(gòu)ABC，再連接表示大腿的級桿組EF,組成一個六桿機(jī)構(gòu)的步行機(jī)械腿機(jī)構(gòu)。（1）四桿機(jī)構(gòu)加桿組

第二節(jié)步行機(jī)械的腿及其設(shè)計(jì)10第六章仿動物步行的機(jī)械及設(shè)計(jì)圖示復(fù)雜的四足步行機(jī)構(gòu)中，四桿機(jī)構(gòu)ABCD和四桿機(jī)構(gòu)ABGD為并聯(lián)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)，兩個輸出構(gòu)件CD和DG被一個級桿組EFG封閉連接，可得到H點(diǎn)的理想運(yùn)動軌跡。

該機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算如下：（2）四桿機(jī)構(gòu)的并聯(lián)組合第二節(jié)步行機(jī)械的腿及其設(shè)計(jì)11第六章仿動物步行的機(jī)械及設(shè)計(jì)（3）五桿機(jī)構(gòu)ABCFG加DE構(gòu)件約束，形成單自由度的機(jī)構(gòu),可得到理想步行曲線。圖示機(jī)構(gòu)也可以看作在四桿機(jī)構(gòu)GFDE的基礎(chǔ)上連接桿組ABC,但這樣組合創(chuàng)新思路不明確。H該機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算如下：第二節(jié)步行機(jī)械的腿及其設(shè)計(jì)12第六章仿動物步行的機(jī)械及設(shè)計(jì)（3）由級機(jī)構(gòu)組成的步行機(jī)械腿級機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但有良好的連桿曲線作為足端運(yùn)動軌跡。ABC為級桿組的內(nèi)接副，O1O2D為外接副，連接原動件O3D，組成級機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)的E點(diǎn)可形成理想的走行曲線。該機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算如下：第二節(jié)步行機(jī)械的腿及其設(shè)計(jì)13第六章仿動物步行的機(jī)械及設(shè)計(jì)（3）由級機(jī)構(gòu)組成的步行機(jī)械腿級機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但有良好的連桿曲線作為足端運(yùn)動軌跡。O1ABO2CDO3為級機(jī)構(gòu)，再連接一個級桿組DFG,P點(diǎn)可形成理想的步行曲線。該機(jī)構(gòu)的E點(diǎn)可形成理想的走行曲線。該機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算如下：第二節(jié)步行機(jī)械的腿及其設(shè)計(jì)第六章仿動物步行的機(jī)械及設(shè)計(jì)（4）復(fù)雜的多桿腿機(jī)構(gòu)該機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算如下：組成分析：五桿機(jī)構(gòu)ABCDE和AFGDE本來各有2個自由度，但是他們有共同的輸入和輸出構(gòu)件，使其自由度為1，在巧妙連接一個自由度為零的級桿組HIJ，足端K可產(chǎn)生特殊的運(yùn)動軌跡。CBADEGFHIJK第二節(jié)步行機(jī)械的腿及其設(shè)計(jì)15第六章仿動物步行的機(jī)械及設(shè)計(jì)二、關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)是兩個構(gòu)件之間的可動連接，可以是運(yùn)動副型關(guān)節(jié)，也可以是連桿機(jī)構(gòu)型關(guān)節(jié)。1、連桿機(jī)構(gòu)關(guān)節(jié):兩構(gòu)件之間靠機(jī)構(gòu)相對

運(yùn)動實(shí)現(xiàn)2、運(yùn)動副關(guān)節(jié)：

一般為轉(zhuǎn)動副第二節(jié)步行機(jī)械的腿及其設(shè)計(jì)16第六章仿動物步行的機(jī)械及設(shè)計(jì)昆蟲腿也可以簡化為運(yùn)動副關(guān)節(jié)（踝關(guān)節(jié)）第二節(jié)步行機(jī)械的腿及其設(shè)計(jì)17第六章仿動物步行的機(jī)械及設(shè)計(jì)3、復(fù)合關(guān)節(jié)：

關(guān)節(jié)的運(yùn)動由轉(zhuǎn)動副和連桿機(jī)構(gòu)共同實(shí)現(xiàn)。圖示六足蜘蛛的腿關(guān)節(jié)是復(fù)雜的復(fù)合關(guān)節(jié)，該機(jī)械腿也是變胞機(jī)構(gòu)。第二節(jié)步行機(jī)械的腿及其設(shè)計(jì)18第六章仿動物步行的機(jī)械及設(shè)計(jì)三、關(guān)節(jié)驅(qū)動器關(guān)節(jié)驅(qū)動主要有電動機(jī)完成，常見關(guān)節(jié)單機(jī)驅(qū)動如下：直接驅(qū)動直流伺服電機(jī)驅(qū)動關(guān)節(jié)驅(qū)動同步交流伺服電機(jī)驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動第二節(jié)步行機(jī)械的腿及其設(shè)計(jì)19第六章仿動物步行的機(jī)械及設(shè)計(jì)第三節(jié)步行機(jī)械的步態(tài)分析一、兩足步行動物的腿部結(jié)構(gòu)1、人類腿部結(jié)構(gòu)：小腿向后彎曲小腿向前彎曲，不能坐躺等。第三節(jié)步行機(jī)械的步態(tài)分析身體2、鳥類腿部結(jié)構(gòu)：小腿向前彎曲有利于起飛蹬踏。身體20第六章仿動物步行的機(jī)械及設(shè)計(jì)二、兩足步行動物的步態(tài)分析人在正常行走時，兩腿交替邁步，分為落地相和抬腿相。單腿抬腿邁步相約占40%，落地支撐相約占40%，雙腿支撐相共占20%。每條腿的落地時間為60%，抬腿邁步時間約為40%。右腿左腿第三節(jié)步行機(jī)械的步態(tài)分析21第六章仿動物步行的機(jī)械及設(shè)計(jì)鳥類也是兩足步行動物，走路動作與人類有相同點(diǎn)，如雙腳前后交替運(yùn)動，走路時身體左右搖擺等；但與人類走路動作卻有很大的差別。如走步時，為了保持身體的平衡，需要頭和腳互相配合運(yùn)動。一般是：當(dāng)一只腳抬起時，頭開始向后收；抬起的那只腳朝前至中間位置時，頭收到最后面；當(dāng)腳向前落地時，頭也隨之朝前伸到頂點(diǎn)。第三節(jié)步行機(jī)械的步態(tài)分析22第六章仿動物步行的機(jī)械及設(shè)計(jì)三、四足步行動物的步態(tài)分析側(cè)對步態(tài)：單側(cè)前后腿抬起或著地正常步態(tài)：一腿抬起，三腿著地四足動物步態(tài)斜對步態(tài)：對角線兩腿著地或抬起落地離地測對步態(tài)斜對步態(tài)正常步態(tài)不同的運(yùn)動狀態(tài)，步態(tài)也不相同。如馬在奔跑時，可單腿著地、騰空、兩腿著地、三腿著地等多種運(yùn)動狀態(tài)。第三節(jié)步行機(jī)械的步態(tài)分析23第六章仿動物步行的機(jī)械及設(shè)計(jì)四足步行動物在斜對步態(tài)的運(yùn)動循環(huán)如下：四足步行動物在正常行走時，先邁左前腿；然后，右后腿；左后腿；右前腿。0431256第三節(jié)步行機(jī)械的步態(tài)分析第六章仿動物步行的機(jī)械及設(shè)計(jì)四、四足步行機(jī)理與分析四足步行動物運(yùn)動形式相近，四肢的交替運(yùn)動與身體位姿變化相互協(xié)調(diào)，不僅省力，而且保持身體的穩(wěn)定性。圖示，牛在站立時，質(zhì)心如圖a所示。兩前腿支撐體重的58%,兩后腿為42%。L為同側(cè)前后腿之間距離fedcba若提起一條后腿，無論左右后腿，質(zhì)心位置不變，在穩(wěn)定三角形內(nèi)。如圖b、c。LF：左前腿RF：右前腿LH：左后腿RH：右后腿實(shí)際質(zhì)心位置初始質(zhì)心位置落地相抬腿相第三節(jié)步行機(jī)械的步態(tài)分析第六章仿動物步行的機(jī)械及設(shè)計(jì)L為同側(cè)前后腿之間距離fedcbaLF：左前腿RF：右前腿LH：左后腿RH：右后腿實(shí)際質(zhì)心位置初始質(zhì)心位置落地相抬腿相牛若抬頭，質(zhì)心位置后移，如圖d所示，此時前腿承重減少。牛若偏左抬頭，質(zhì)心位置左后移，如圖e所示，此時邁右前腿。牛若偏右抬頭，質(zhì)心位置右后移，如圖f所示，此時邁左前腿。同理，牛若低頭，質(zhì)心位置前移，此時邁動后腿。第三節(jié)步行機(jī)械的步態(tài)分析26第六章仿動物步行的機(jī)械及設(shè)計(jì)四足步行動物在行走過程中，其頭部隨著步態(tài)變化進(jìn)行上下擺動。四足步行動物在行走過程中，其頭部隨著步態(tài)變化進(jìn)行上下擺動。圖示為四足步行動物行走相位圖。LF：左前腿RF：右前腿LH：左后腿RH：右后腿第三節(jié)步行機(jī)械的步態(tài)分析27第六章仿動物步行的機(jī)械及設(shè)計(jì)圖示的牛在行走時，當(dāng)后腿抬起時，同側(cè)前腿緊接著抬起，后腿落腳點(diǎn)臨近前腿腳印，有時超前，有時落后，但不會仿生碰撞。四足動物在行走時，四條腿的交替運(yùn)動與身體扭動相配合，不會發(fā)生干涉，完全取決于大腦的控制系統(tǒng)。四足仿生機(jī)器人的運(yùn)動可靠性也取決于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。第三節(jié)步行機(jī)械的步態(tài)分析28第六章仿動物步行的機(jī)械及設(shè)計(jì)圖示為六足步行動物的步態(tài)分布六足步行機(jī)器人的步態(tài)是多樣的，其中三角步態(tài)是典型步態(tài)，“六足綱”昆蟲步行時，一般不是六足同時直線前進(jìn)，而是將三對足分成兩組，以三角形支架結(jié)構(gòu)交替前行。第三節(jié)步行機(jī)械的步態(tài)分析29第六章仿動物步行的機(jī)械及設(shè)計(jì)五、步行機(jī)械設(shè)計(jì)案例圖示機(jī)構(gòu)為一新型步行機(jī)器人的腿，H點(diǎn)可完成理想的足端運(yùn)動軌跡。該機(jī)構(gòu)可以組裝成兩足步行機(jī)器人，四足步行機(jī)器人，六足步行機(jī)器人和多足步行機(jī)器人。通過調(diào)整機(jī)構(gòu)尺寸，可變換足端運(yùn)動軌跡。兩個四桿機(jī)構(gòu)ABCD、ABGD共用一個主動件AB,兩個擺桿CD、DG被一個級桿組EFG封閉連接，H點(diǎn)軌跡可作足端曲線。第三節(jié)步行機(jī)械的步態(tài)分析30第六章仿動物步行的機(jī)械及設(shè)計(jì)該連桿型步行機(jī)機(jī)器人腿機(jī)構(gòu)看起來復(fù)雜，實(shí)際上組成原理簡單。兩個相同機(jī)構(gòu)反向鏈接，可組成兩足步行機(jī)器人的腿機(jī)構(gòu)。而且能保證一條腿抬起前，另一條腿已經(jīng)落地，保證行走的穩(wěn)定性。第三節(jié)步行機(jī)械的步態(tài)分析31第六章仿動物步行的機(jī)械及設(shè)計(jì)第四節(jié)步行機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動方程主要怕介紹幾個經(jīng)常用到的仿生步行機(jī)械系統(tǒng)的方程：1、足端運(yùn)動軌跡方程：步行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。2、步行系統(tǒng)的動力學(xué)方程：考慮質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量等因素的運(yùn)動方程，求解關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩。3、機(jī)械系統(tǒng)質(zhì)心運(yùn)動方程：系統(tǒng)運(yùn)動穩(wěn)定的依據(jù)。以下分別介紹。第四節(jié)仿生步行機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動方程32第六章仿動物步行的機(jī)械及設(shè)計(jì)第四節(jié)步行機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動方程一、足端運(yùn)動軌跡方程不同的仿生機(jī)器人有不同的足端運(yùn)動軌跡，足端軌跡方程是機(jī)械腿設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。圖示4自由度的仿生機(jī)器人中，單腿可簡化為3自由度的開鏈機(jī)構(gòu)；3自由度開鏈機(jī)構(gòu)足端C的軌跡方程可以描述為：第六章仿動物步行的機(jī)械及設(shè)計(jì)第四節(jié)步行機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動方程角度

為小腿與足底法線之間夾角；則上式改為：上述方程中共有6個未知數(shù)，，但在仿生機(jī)械設(shè)計(jì)中，構(gòu)件尺寸往往參照待模仿動物腿部尺寸，故未知數(shù)僅有3個角度參數(shù)。由路面決定34第六章仿動物步行的機(jī)械及設(shè)計(jì)二、步行機(jī)械系統(tǒng)的動力學(xué)方程此處的動力學(xué)方程是指考慮到構(gòu)件質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量等因素，求解關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩。步行機(jī)器人的腿的運(yùn)動是多自由度的非線性運(yùn)動，動力學(xué)方程復(fù)雜，應(yīng)用拉格朗日是常用方法。為簡化方程，此處忽略腿的側(cè)擺運(yùn)動，僅考慮一個前進(jìn)方向的運(yùn)動。（a）（b）（c）圖示兩足步行機(jī)械腿機(jī)構(gòu)中，抬腿相與落地相受力不同，建立動力學(xué)方程也不相同。第四節(jié)步行機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動方程35第六章仿動物步行的機(jī)械及設(shè)計(jì)1、落地相的腿可參照倒立擺的動力學(xué)方程第四節(jié)步行機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動方程大腿、小腿和腳相當(dāng)于3個構(gòu)件，各構(gòu)件尺寸、質(zhì)心以及繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量已知。拉格朗日方程一般形式為

36第六章仿動物步行的機(jī)械及設(shè)計(jì)1、落地相的腿可參照倒立擺的動力學(xué)方程拉格朗日方程一般形式為其中：E:機(jī)構(gòu)系統(tǒng)動能

U:機(jī)構(gòu)系統(tǒng)勢能L：拉格朗日常數(shù)落地相機(jī)械腿機(jī)構(gòu)的動能為：落地相機(jī)械腿機(jī)構(gòu)的勢能為：第四節(jié)步行機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動方程

37第六章仿動物步行的機(jī)械及設(shè)計(jì)第四節(jié)步行機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動方程

（1）（2）（3）

38第六章仿動物步行的機(jī)械及設(shè)計(jì)2、抬腿相的動力學(xué)方程點(diǎn)

抬腿相可按照懸空擺列出動力學(xué)方程第四節(jié)步行機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動方程

39第六章仿動物步行的機(jī)械及設(shè)計(jì)圖示四足步行機(jī)械的各構(gòu)件質(zhì)心及其尺寸如圖，設(shè)總質(zhì)心在C點(diǎn)。步行機(jī)械在運(yùn)動中，其頭、頸、軀體、四肢等質(zhì)心都是變化的，總質(zhì)心也是變化的。第四節(jié)步行機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動方程三、步行機(jī)械質(zhì)心運(yùn)動方程由工程力學(xué)可知，總質(zhì)心位置為：直角坐標(biāo)方程為40第六章仿動物步行的機(jī)械及設(shè)計(jì)

第四節(jié)步行機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動方程41第六章仿動物步行的機(jī)械及設(shè)計(jì)第四節(jié)步行機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動方程設(shè)坐標(biāo)系選在身體質(zhì)心處，則有：

42第六章仿動物步行的機(jī)械及設(shè)計(jì)第四節(jié)步行機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動方程大腿質(zhì)心坐標(biāo)為：小腿質(zhì)心坐標(biāo)為：zxy43第六章仿動物步行的機(jī)械及設(shè)計(jì)四條腿的質(zhì)心坐標(biāo)寫成一般形式第四節(jié)步行機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動方程大腿質(zhì)心坐標(biāo)方程為小腿質(zhì)心坐標(biāo)方程

44第六章仿動物步行的機(jī)械及設(shè)計(jì)第四節(jié)步行機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動方程設(shè)頭頸上下擺動角度為δ，左右擺動角度為θ，頸部關(guān)節(jié)為B。頭頸坐標(biāo)為：45第六章仿動物步行的機(jī)械及設(shè)計(jì)第五節(jié)仿生跳躍機(jī)械的設(shè)計(jì)與分析第五節(jié)仿生跳躍機(jī)械的設(shè)計(jì)與分析仿生跳躍機(jī)械是步行機(jī)械的特例，例如，青蛙、蝗蟲、袋鼠等都是可以跳躍的動物，其特點(diǎn)是后肢發(fā)達(dá)。只有袋鼠是靠跳躍行走的，本章介紹仿袋鼠機(jī)構(gòu)。一、袋鼠的跳躍性能袋鼠后肢發(fā)達(dá)有力，前肢短小。跳躍高度可達(dá)4米。距離可達(dá)13米。速度可達(dá)50km/h靜止落地跳躍一、袋鼠的跳躍性能46第六章仿動物步行的機(jī)械及設(shè)計(jì)第五節(jié)仿生跳躍機(jī)械的