（定稿）基于SolidWorks四足步行机器人腿的机构设计（全套下载）

参考文献邱宣怀.机械设计.北京高等教育出版社，濮良贵，等.机械设计.北京高等教育出版社，孙桓，等.机械原理.北京高等教育出版社，黄锡恺.机械原理.北京人民教育出版社，华大年.机械原理.北京高等教育出版社，张世民.机械原理.北京中央广播电视大学出版社，孟宪源.现代机构手册.北京机械工业出版社王旭辉，等.机器马行走机构优化设计.内蒙古工业大学学报，方亚彬，等.四足机器人溜蹄步态动步行的研究.机器人，.田继廉，等.步行机器人的结构图与步态.农业机械学报，查选芳，等.多足步行机器人腿机构的运动学研究.东南大学学报，高英敏.平面连杆机构多媒体分析系统的研究硕士学位论文毕学涛.高等动力学.天津大学出版社，牧野洋，等.空间机构及机器人机构学，机械工业出版社，费仁元.机器人机械设计和分析.北京面支撑机体，面驱动相应的髋关节和膝关节，使机体向前平移步长。

此时机体重心已偏离对角线，中点，将至摆动腿，的中点见图。

图腿摆动支撑与机体重心在机体移动到位时，摆动腿和立即放下，呈支撑态。

恰好使重心在支撑腿和的对角线稳定区内，原支撑腿和也已抬起并向前跨步见图，此时重心已接近腿和对角线中点，且随着腿和的向前跨步而继续向前移动。

摆动腿和相对机体向前跨步的同时，另两腿和面支撑机体，面驱动其相应的髋膝关节使机体前移见图。

同时摆动腿向前跨步和随同机体相对支撑腿前移，重心也移到摆动腿和的中点，机体处于跌倒态，在此瞬间摆动腿和与支撑腿和交替，使机体重新处于稳定状态见图，从而完成整个步行周期动作。

为了避免机体平移时摆动腿与地面之间产生叩碰，必须保证只有在摆动腿脚底离开地面时机体才能移动机体前移动作通过驱动支撑腿的髋膝关节使机器人支撑腿足底水平后移，由于地面的支撑作用，足底和地面位置相对不变而使机体水平前移。

.腿的设计从运动角度出发，足端相对与机身应走直线轨迹，为了在不平地面行走，腿的伸长应该是可变的。

从整体的行走性能出发，方面要求机体能走出直线运动轨迹或平面曲线轨迹在严重崎岖不平地面，另方面要求转向。

步行行走机构腿部的主要任务是支撑着主要由躯体所组成的本体，二是使本体向步行方向移动，此外还必须具有脚部抬起，并向步行方向摆动的动作，若把本体看作固定不动，则足端轨迹如图所示。

图足端轨迹图实际的足端轨迹图如图所示，在支撑相描述出比较缓慢的直线段，而在摆动相描绘出快速的凸起曲线段。

根据上述，提出四足行走机构中腿机构的要求.腿的足端部相对于机体的运动轨迹形状应如“”。

直线段对应的就是足支撑机体的运动轨迹支撑相，曲线段对应的是脚掌离开地面的足端运动轨迹悬空项。

.为了不至于使行走机构在运动过程中，因机体上下颠簸而消耗不必要的能量，应保证要求中的直线段有定的直线度。

.对于要求中曲线段，没有形状要求，但对其最高点有要求，即其高度决定了机器人在起伏不平的地面上的通过能力。

多种演化方式，较典型的有埃万斯四连杆机构，如图所示为机构的简化形式，用连杆曲线的轨迹作为足端轨迹。

该步行机构，设计简单方便。

具有运动解耦特性，而且都能产生近似直线的运动。

但由于四杆机构本身存在死点问题，容易产生死锁现象，限制了腿部机构的工作空间。

同时增加了控制难度。

图埃万斯四连杆机构.腿的选择与设计四足行走机构机械设计主要包括腿机构设计腿的配置形势确定步态分析。

腿机构是行走机构的个重要组成部分，是行走机构机械设计的关键。

腿的配置形式四足机构腿的配置有两种，种是正向对称分布，既腿的主平面与行走方向垂直，令种为前后向对称分布，既腿平面与行走方向致，如图所示。

本设计机构将选择正向对称分布。

图腿的配置形式腿的步态选择与分析步态是行走机构的迈步方式，既行走机构抬腿和放腿的方式，由于开发步行行走机构的需要，年代末，在总结前人对动物步态研究成果的基础上，比较系统的给出了系列描述和分析步态的严格数学定义。

之后，各国学者在四足，六足，八足等多足步行机构的静态稳定的规则周期步态的研究中取得多项成果，但这些步态的研究基本上局限于平坦地面，并且假设对于不平地面也是合理的。

对于严重不平地面地面上可能有不可立足点存在的行走步态研究，是从年代中期开始的，其中包括对非周期步态研究，对自由的分析等等。

步态的类型凡是四足动物在正常行走时，四条腿的协调动作顺序般按对角线原则，既如左前腿右后腿左后腿右前腿左前腿如此循环下去。

在每时刻，至少右三条腿着地，支撑着身体，既最多只有条腿抬起，脚掌离地。

因此，对于每条腿的运动来说，脚掌离地时间与着地时间之比为。

四足动物除了上述步态之外，还有其他各种步态对角小跑，也叫步态，既马或其他四足动物介于快走和快跑之间的步态，前进时是对角线的双腿共同向前移动。

单侧小跑，也叫步态，既同侧的两足为支撑足，其余两足为非支撑足的步态。

正常行走这三种步态的左右腿相位相差.，是对称步态，其余是非对称步态。

因此，将神经网络用于机器人步行控制，解决系统中存在的多变量非线性变结构问题，是步行控制的合理选择，且在机器人虚拟平台上取得了较好的结果。

但在物理实验平台的实际应用研究中，结果并不理想。

以上的分析可以看出，在多关节步行机器人的运动控制中，传统的运动控制策略或多或少地存在不足之处。

其原因是研制能在现实世界象动物那样运动的机器，必须集多学科研究成果之大成，其模型的建立和计算必然极其复杂。

为此本文提出虚拟构件的概念来建立四足步行机器人的虚拟模型，借鉴人在解决些问题时经常采用的直觉方法来控制四足步行机器人的运动，试图从另外个角度来解决步行机器人的运动控制问题。

四足机器人腿的研究.腿的对比分析四足行走机构的机械部分是机器人所有控制及运动的载体，其结构特点直接决定了机器人的运动学特征。

其中，腿部结构形式是行走机构中重要组成部分，也是机械设计的关键之。

因此从种意义上说，行走机构的分析主要集中在步行机构的分析上。

般地，四足行走机构的设计要求看，步行不能过于复杂，杆件过多的步行机构形式会引起结构和传动的实现困难，对腿部机构的基本要求是输出定的轨迹，实现给定的运动要求具有定的承载能力方便控制的要求。

目前，国内外学者对步行机器人的步行机构已经作了大量的研究工作，其结构形式多样，主要可以归纳为三类开环连杆机构闭环平面四杆缩放式机构特殊的步行机构。

开环关节连杆机构在早期的步行机器人研究中，般是模仿动物的腿部结构来设计步行机构。

所有这种机构形式般都是关节式连杆机构。

其优点在于结构紧凑，步行机构能够达到的运动空间较大，且运动灵活，由于关节式步行机构是通过关节链接的，因而在步行过程中的失稳状态下具有较强的姿态恢复能力。

不足之处是在腿的主动平面内大小腿的运动之间存在耦合，使得运动时的协调控制比较复杂，而且承载能力较小。

如图所示为常见的开环关节连杆步行机构的三维模型图形。

该机构可分为大小腿以及髋关节组成。

由大小腿组成平面运动机构，髋关节驱动该平面机构从而实现空间运动。

可建立如图所示的坐标系的动作，液压伺服马达驱动四只脚做相同的动作，该机装有力反馈机构，驾驶员坐在驾驶室里就能够凭感觉知道作用在机械脚上的力是多少。

虽然操作费力，但实现了爬越障碍，因而被视为现代行走机构发展史上的个里程碑。

图四足步行车如图所示为世界上第台四足步行机构机器人，它被制造于年，其特点是能够实现在不平地面上稳定步行运动，能够越过地面上较小的障碍物而不接触能够实现全方位的步行运动而不会出现打滑或者损坏地面的结构该步行机器人能够成为个稳定的工作平台，利用腿的自由度执行操作任务。

图第台采用四足步行机构的机器人自世纪年代以来，采用行走机构的机器人技术得到了快速的发展，国外的发展领先于国内，国外己研制出定数量的四足机器人样机少量投入了使用，以下从几个典型的四足行走机构机器人来阐述国外四足行走机构机器人的研究现状。

年美国军方发布的“小狗”机器人开展运动学习的研究科学家应用“小狗”来探索机器学习运动控制环境感知和不确定地形运动之间的基本关系。

年月美军又研制出了利用在军事上的“大狗”，如图所示，这个四足机器人由波士顿动力学工程公司专门为美国军队研究设计。

这种机器狗人能够在战场上发挥非常重要的作用在交通不便的地区为士兵运送弹药食物和其他物品。

它不但能够行走和奔跑，而且还可跨越定高度的障碍物。

该机器人的动力来自部带有液压系统的汽油发动机。

图四足机器人狗加拿大的大学机器人研究室研制了Ⅱ四足步行机器人见图，结构简单，每条腿只有个主动转动关节，然而值得注意的是，在每只腿的臀部都装有个激励源，使得机器人站立时臀部也能有连续的速度。

受人和动物步行时使用很少能量摆动小腿的启示，设计者将膝关节设计为被动自由度，依靠上下腿动态耦合实现角度控制。

另外，他们设计了种新型的动态步行步态没有滑翔阶段的动步跳，成功实现了Ⅱ四足步行机器人在不依靠反馈补偿的控制条件下稳定动步行。

加拿大大学的步行机器人实验室研制的系列步行机器人，如图所示。

该机器人的个最大的特点就是其步行机构相当简单，每条腿只有个自由度，能够实现步行转弯以及跨越的台阶，但可靠性较差，后来对机器人做了些改进，将步行机构的关节改为被动关节，大大提高了其步行可靠性。

基于步行，机器人，机构，设计，毕业设计，全套，图纸基于四足步行机器人腿机构设计学生姓名马超指导教师刘天祥所在学院工程学院专业机械设计制造及其自动化中国•大庆年月摘要本文介绍了国内外四足步行机器人的发展状况和三维制图软件的应用，着重分析了设计思想并对行走方式进行了设计并在此软件基础上四足步行机器人腿进行了绘制，对已绘制的零部件进行了装配和三维展示。

展示了强大的三维制图和分析功能。

同时结合模仿四足动物形态展示出了本次设计。

对设计的四足行走机器人腿进行了详细的分析与总结得出了该机构的优缺点。

本文对四足机器人腿的单腿结构分析比较详细，并结合三维进行理性的理解。

关键词四足步行机器人腿绪论.步行机器人的概述.步行机器人研发现状.存在的问题四足机器人腿的研究.腿的对比分析开环关节连杆机构闭环平面四杆机构.腿的选择与设计腿的配置形式腿的步态选择与分析.腿的设计腿的机构分析支撑与摆动组合协调控制器.单条腿尺寸优化数学建模运动特征的分析.机器人腿足端的轨迹和运动分析机器人腿足端的轨迹分析机器人腿足端的运动分析.机体设计.机体设计机体外壳设计传动系统设计.利用进行腿及整个机构辅助设计.结论.论文完成的主要工作.结论参考文献致谢前言机器人的研发和使用现已经成为世界各国的重要科研项目，用它来代替人的操作项目或帮助残疾人完成自己不能完成的项目活动。

在工业，手工业，重工业等方面机器人的辅助功能尤为突出，大大提高了工作效率，节省开支。

其中，以行走机构较为常见，比如哈尔滨工业大学自主研发的四足机器人来踢足球，几个机器人在小场地上模拟人的足球比赛规则来进行比赛，看来显得妙趣横生。

对其在世界发展角度来讲，中国的机器人发展水平还处于中游水平，但尤为强调的是哈尔滨工业大学，中国中航二集团自主研发的二足，四足及多足机器人都在中国的机器人发展过程中起到极大的积极作用，在工业，航天业更涉及到大众娱乐，发展前景都非常好。

本设计既对四足步行机器人腿进行机构分析设计，我也对此机构的机体在参仿之外做了系列改进，以及绘制三维图等方面工作。

绪论.步行机器人的概述机器人的研发和使用现已经成为世界各国的重要科研项目，用它来代替人的操作项目或帮助残疾人完成自己不能完成的项目活动。

在工业，手工业，重工业等方面机器人的辅助功能尤为突出，大大提高了工作效率，节省开支。