（图纸+论文）基于SolidWorks四足步行机器人腿机构设计（全套完整）

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。

图图为个步行周期中四足机器人的摆动相与支撑相的交替过程。

根据占空系数的大小可分为种情况.在两摆动腿着地的同时，另外两支撑腿立即抬起。

此情况为特例。

既任意时刻同时有支撑相和摆动相见图。

机器人移动较慢时，摆动相与支撑相有短暂的重叠过程，即机器人有四腿同时着地状态见图。

机器人移动较快时，四条腿有同时为摆动相时刻，四条腿同在空中，尤如马奔跑时腾空状态见图。

显然此交替过程要求机器人机构具有弹性和消振功能，否则难以实现，尚有待引入弹性机构。

本文研究.时的状态。

图占空系数示意图二腿摆动跨步与机体重心移动顺序起始时对角线上两摆动腿，抬起向前摆动，另两条腿，支撑机体确保行走机构原有重心位置在其支撑腿的对角线上见图，摆动腿，向前跨步造成重心前移见图，此时机器人有摔倒趋势。

支撑腿，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。

如图也叫步态，动物在快跑时两条前腿或后腿同时跳起的步态。

四足步行机构常用的步态还有爬行步态，四足匍匐步态，四足倾斜步态，四足旋转步态和四足姿态变化步态，等等。

二步态的选择基于本设计对腿的要求及整个机体的选择和个电机的选择配合蜗杆的使用等原因，所以选择态步行中的步态，既处于对角线上的两条腿动作完全样，均处于摆动相或均处于支撑相，简称对角小跑步态。

三步态的设计步态设计是实现动态步行的关键之，为达到较理想的动态步行，考虑下列要求步行平稳协调进退自如，无左右摆晃及前后冲击机体和关节间没有较大的冲击，特别是在摆动腿着地时，与地面接触为软着陆。

机体保持与地面平行，且始终以等高运动，没有明显的上下波动。

摆动腿跨步迅速，腿部运动轨迹圆滑，关节速度和加速度轨迹无畸点。

占空系数腿部动作和占空系数步态的特点是处于对角线上的两条腿或者.具有相同相位，既对角线上两腿的动作完全样，同时抬起，同时放下。

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，第关节为髋关节，在点围绕轴旋转，髋关节的旋转半径设为第二个驱动关节为大腿关节，在点围绕着与大小腿运动平面所垂直的轴旋转，大腿杆长为第三个驱动关节为小腿关节，在点围绕与大小腿运动平面垂直的轴转动，小腿杆长度为。

同时规定逆时针为正向角。

图开环连杆步行机构图开环连杆机构坐标系模型如图所示，当机构运动到位置时，设髋关节驱动转动角为，大腿关节驱动转角为，小腿杆驱动转角为，由上图可以建立足端点的运动轨迹方程其中由上式以及图形可知，小腿杆可以在转过大臂上部空间运动类似于人的小臂运动，所以在运动过程中，由于臂的末端点可达区域比较大，当髋关节转动时，机构的运动空间将实现三维椭圆状。

但是采用此机构用作步行机构，在机器人行驶时，足端的运动范围并不是覆盖了整个可达运动空间，不可能在转过大腿杆时仍能够到达所有区域。

步行，机器人，机构，设计，毕业设计，全套，图纸学生姓名指导教师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，目录摘要前言绪论.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。

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。

步行机器人是门集仿生学机械学及控制工程学等多学科融合交汇的综合性的学科，不仅涉及到线性非线性基于多种传感器信息控制以及实时控制技术，而且还囊括了复杂机电系统的建模数字仿真技术及混合系统的控制研究等方面的要求。

步行是入与大多数动物所具有的移动方式，是种高度自动化的运动。

对于环境具有很强的适应性，相对于轮式履带式及蠕动式移动方式而言，具有更广阔的应用前景。

我们从事步行机器人的研究工作，并不是为了追求对复杂系统的研究，而是因为步行机器人的确具有广泛的应用前景，例如在取代危险环境下人类的工作工厂的维护和不平整地面的货物搬运以及灾害救助等方面。

另外，随着社会老龄化程度的不断加深，在护理老人康复医学以及在般家庭的家政服务等方面步行机器人也将得到应用。

.步行机器人研发现状上世纪年代，由于生物学控制理论和电子技术的发展，人们开始对类人行走进行系统的研究，和村洋高滨逸郎等人从生理学角度来分析人类的行走，期望对临床应用假肢设计提供资料。

等人从模拟人的双足步行机械出发，对步行机器人的数学模型控制算法和步行稳定性能量分析等问题进行了研究，特别是他所提出的零力矩点概念已经被广泛地应用在腿式机器人的控制中。

真正从工程角度对步行机器人进行研究并首次获得成功的是早稻田大学的．教授等人，他们于年推出了．双足步行机器入可以实现步幅为，每步约秒的静态行走。

实验室的成功推动了步行控制技术的飞速发展。

近三十年来，步行机器人技术得到飞速的发展。

从最初的静态行走只能在平面上行走发展到拟动态行走动态行走斜坡上的行走甚至实现跑步。

动态行走是步行机器人提高行走速度和研究的必然发展方向。

如图所示为通用电气公司的和美国陆军的起设计开发的四足步行车“”。

具有千克运输能力乘坐名驾驶员高度.米质量千克的步行机械系统。

该步行车的四个指令杆跟随驾驶员的手和脚动作的液压驱动随动系统，并安装在驾驶员手臂和脚上的位置传感器检测他的动作，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