三角步态行走
六足运动原理
机械锹甲前进运动原理机械锹甲遵循三角步态的原理前进，即是六足机器人的两组腿(身体一侧的前足、后足与另一侧的中足) ,即处于支撑三角形上的三条腿的动作完全一样,均处于摆动相或均处于支撑相。
机械锹甲在平坦无阻的地面上快速行进时,多以交替的三角步态运动,即在步行时把六条足分为两组,以身体一侧的前足、后足与另一侧的中足作为一组,形成一个稳定的三角架支撑虫体,因此在同一时间内只有一组的三条足起行走作用:前足用爪固定物体后拉动虫体前进,中足用以支撑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,行走时虫体向前并稍向外转,三条足同时行动,然后再与另一组的三条足交替进行,两组足如此交替地摆动和支撑,从而实现昆虫的快速运动,其行走的轨迹线是一条锯齿状曲线。
机器人采用三角步态的运动示意如图1 所示:机械锹甲开始运动时, 左侧的2 号腿和右侧的4、6 号腿抬起准备向前摆动, 另外三条腿1、3、5 处于支撑状态, 支撑机器人本体确保机器人的原有重心位置处于三条支撑腿所构成的三角形内, 使机器人处于稳定状态不至于摔倒( 见图1( a) ) , 摆动腿2、4、6 向前跨步( 见图1( b) ) , 支撑腿1、3、5 一面支撑机器人本体, 一面在小型直流驱动电机和皮带传动机构的作用下驱动机器人本体, 使机器人机体向前运动一个半步长S( 见图1( c) ) .在机器人机体移动到位时, 摆动腿2、4、6 立即放下, 呈支撑态, 使机器人的重心位置处于2、4、6 三条支撑腿所构成的三角形稳定区内, 原来的支撑腿1、3、5 已抬起并准备向前跨步( 见图1( d) ) , 摆动腿1、3、5 向前跨步( 见图1( e) ) , 支撑腿2、4、6 此时一面支撑机器人本体, 一面驱动机器人本体, 使机器人机体向前运动一个步长S( 见图1( f) ) , 如此不断从步态( a) 、( b) 、( c) 、( d) 、( e) 、( f) 、( a) , 循环往复,周而复始实现机器人不断向前运动.、。
六足仿生机器人并联机构雅可比矩阵分析
０ 前言 近年来， 随着人类对自然界及太空的探索不断深
入， 任务越来越复杂， 对仿生机器人的研究也越来越 多， 仿生机器人可以用于代替人类去完成危险任务， 比如星际探测、 核泄漏检测、 复杂地形的抢险救灾、 深海作业、 军事侦查等。 足式机器人较轮式机器人更 适合在不确定、 崎岖不平的环境中行走， 但足式机器 人的运动学、 动力学分析及控制也更加复杂［１－３］ 。 六 足机器人较四足机器人运动的平稳性高， 机构复杂度 适中［４－５］ ， 本文针对六足机器人进行研究， 利用三角 步态行走身体前移时， 六足机器人可视为 ３⁃Ｕｒ ＲＳ 并 联机构， 分析该并联机构的自由度并建立其雅可比矩 阵， 董成林等［６］ 利用位置逆解求导解得雅可比矩阵， 步骤繁琐， 而利用螺旋理论和互易积理论分析雅可比 矩阵避免了求解并联机构位置正、 逆解和求导的过 程， 避免了奇异性。 李剑锋等［７］ 利用互易积获得约束 子矩阵和运动子矩阵， 以此为基础建立了 Ｔｒｉｃｅｐｔ 并 联机构的完整雅克比矩阵， 彭铁柱等［８］ 采用矢量法对 机构的运动学进行分析， 得到机构的位置逆解、 完整
关键词： 六足仿生机器人； 并联； 螺旋； Ｇｒａｓｓｍａｎｎ 线几何； 奇异 中图分类号： ＴＰ２４２ 文献标志码： Ａ 文章编号： １００１－３８８１ （２０１８） １５－０７６－４
Ｊａｃｏｂｉａｎ Ｍａｔｒｉｘ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｂｉｏｎｉｃ Ｈｅｘａｐｏｄ Ｒｏｂｏｔ Ｐａｒａｌｌｅｌ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ
ＹＵ Ｃｈａｎｇｊｕａｎ， ＺＨＡＮＧ Ｃｈｕｎｈｏｎｇ， ＬＵＯ Ｐｉｎｇ， ＬＩＵ Ｑｉｎｇｌｉｎｇ （ Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｃｏｌｌｅｇｅ， Ｌａｎｇｆａｎｇ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｌａｎｇｆａｎｇ Ｈｅｂｅｉ ０６５０００， Ｃｈｉｎａ）
基于STM32的六足机器人控制系统设计
基于STM32的六足机器人控制系统设计伍立春;王茂森;黄顺斌【摘要】基于仿生原理，以STM32F103VET6为核心的控制芯片构建硬件控制系统。
利用无线遥控器使芯片的通用定时器产生18路PWM波控制机器人各个关节的运动，同时通过串口能在上位机实时显示GPS、超声波测距传感器、加速度计、陀螺仪的输出数据，该机器人能严格按三角步态行走，实现诸如直线、转弯、躲避障碍物等行走功能。
实验结果表明，六足机器人的18个关节运动平稳，对复杂运动步态的控制精确，实现了在地面的稳定运动。
%this paper describes the fabrication of a hexapod bionic robot which is control ed bySTM32F103VET6 microprocessor and walks based on bionic principle. In its control system based on wireless remoter, 18-channel PWM wave generated by the timers STM32F103VE76, is used to control robot’ s legs, and the USART of STM32F103VET6 is used to display the output data of GPS, ul-trasonic sensor, accelerometer, gyroscope.This robot is provided with some abilities, such as linear walking, turning, avoiding barri-ers walking etc. The experiments show that free motion control of 18 joints is smooth, the smarter and smal er control system can be used to control complex walking movement precisely and its ground walking objective is atlained..【期刊名称】《机械制造与自动化》【年(卷),期】2014(000)005【总页数】5页(P150-153,161)【关键词】STM32F103VET6;六足机器人;无线遥控;控制系统【作者】伍立春;王茂森;黄顺斌【作者单位】南京理工大学机械工程学院，江苏南京210016;南京理工大学机械工程学院，江苏南京210016;南京理工大学机械工程学院，江苏南京210016【正文语种】中文【中图分类】TP2420 引言移动机器人的发展是一个重要的科研领域，移动机器人可分为车轮式移动机器人、履带式机器人及其仿生技术的运动机器人[1]。
机器人等级考试搭建-六足步行机器人
第11章六足步行机器人仿生六足机器人又叫蜘蛛机器人，顾名思义，六足机器人架构中惜鉴了自然界中昆虫的行走方式，是多足机器人的一种。
11.1探索六足的行走方式是多样的，其中最典型的行走方式就是模仿六足纲昆虫的三角步态。
图 11.1六足步行机器人三角步态是什么样子呢？六足昆虫行走时，一般不是六足同时直线爬行，而是将三对足分成两组，每组三只足，以三角形支架结构交替前进，如图11.2所示。
分组情况是这样的：身体左侧的前后、足及右侧的屮足为一组，右侧的前足、后足和左侧的中足为另一组，分别组成两个三角形支架。
行走时接触地而的腿如绿方块所示，形成稳定的三角结构，这样模型通常会保持直立平稳的走姿而不会走路时跌跟头了。
这种六足机器人控制简单，不过动作单一，因为他的毎个关节都是通过机械连接完成，最后由一个统一的动力源控制。
另外，我们还能看到很多杂的六足机器人每一个关节都足分开控制的。
参照关节类动物的运动形式，这个六足机器人的每条腿的关节都是相对独立的，每个关节都是用180度的舵机来实现的，每条腿上三个关节，对应就是3个舵机，六条腿就是18个舵机。
不过这种用18个舵机支搾起来的机器人控制复杂，对电源的要求太高，还需要通过程序来控制，调试时间长。
我们综合以上的知识内容，制作一个六足移动机器人，即保证了机器人的控制苟单，也能实现机器人前后左心、左转右转的移动效果。
11.2制作7倍10倍这里要注意的是2倍的梁圆孔部分要朝上，和对面的正好相反10倍和12倍11.3六足运动方式六足机器人的运动方式为三角步态，上面我们简单介绍过，三角步态就是六足机器人的六只足分成了两组，组成了两个三角支架。
当一组三角形支架所有的足同时提起，另一机三角形的足原地不动，支撑身体并以中足为支点。
这一组的三脚架抬起到下落的过程中，前肢的构件向前迈进拉动身体向前，后足的构件将机器人向前推。
这一组落地，另一组的三只足抬起，重心落在这一组三角形支架的三足上，然后重复前—组的动作，之后互相轮换周而复始。
十四种常见异常步态特点
十四种常见异常步态特点1. 摆动步态（摆尾步态）：孤独行走时，无明显的因此目的的摆动（摇摆）躯干和尾巴，不规则的右和左脚的步态，无节奏。
2. 迟缓步态：走路时，步伐慢，腿拖着，脚步无力。
3. 踌蹰步态：步态缓慢，脚步起伏跳动，头和肩摆动，以及腹部、腿、脚踩在地上。
4. 瘫蹲步态：步态缓慢，双膝下伏，头颈部前倾，前肢侧向放置，蹬腿时只有膝盖处时弯曲。
5. 蹬跷步态：走路时，躯干肩膀摇摆不定，步态急促，脚步下蹬跷，尖端碰地犹如拔腿状。
6. 飞步步态：走路时，两腿猛然加快，一步高达一米左右，后脚一落地下一瞬即跃至前脚之上踩地的位置，腿脚上下来回交替，无节奏。
7. 翻滚步态：走路时，整个躯体翻转滚动，上半躯体不断左右晃动，双腿交替穿越，整体躯体常有不规则抖动与摆动。
8. 踢跟步态：走路时，前跟肌肉发力，跺脚踢跟，脚尖有时离地行走。
9. 支撑步态：走路时，躯体成直线形，双腿明显分开，右腿朝前，左腿朝后，前后腿似乎用压力支撑躯体，很难施加步态响应。
10. 拐转步态：走路时，转弯无力，行进中明显迟缓，没有自然的步态节奏，腿部反应差，调整拐转方向时，腿运动不协调，易产生紊乱，步伐变得迟钝缓慢。
11. 双足叠步态：步态有节奏，两脚落地频繁，常常双足叠步，连同右足再紧接着落另一脚，就像如同一双滑雪板的步态。
12. 快步行走：走路时，双脚如闪电般气势汹汹，步伐快，脚踩地短而竭力把脚离开地面，双手前后摆动，及时向远处行走。
13. 快跑步态：步态平稳，双脚迅速跳动，脚尖一直处于离地状态，落地时不发出声响，腿部交替重心出现前移。
14. 旋转步态：走路时，四肢和腹部被不断的转动，双腿反复绕着一个中心旋转，同一块地面长时间被踩踏，双腿前后摆动，头佝偻，双臂橫空。
全国青少年机器人等级考试二级实操作品图及知识点
全国青少年机器人技术等级考试试卷（二级）一、实操模型样例（70分）评分标准：（1）模型框架（20分）a.框架零件的位置（10分）b.螺丝的固定程度（5分）c.框架整体协调性（5分）（2）动力传递和表现形式（15分）a.减小摩擦力的装置（5）b.齿轮装置的正确传动（5分）c.机翼安装的准确性（5分）（3）模型整体（25分）a.模型整体完整性（10分）b.外形美观（5分）c.模型整体动作顺利流畅（10分）（4）时间a.在规定时间内完成，每超5分钟扣2分（10分）二、简答题（30分）1.请在下面写出该模型的名称（2分）答案：直升飞机。
2.请下面写出该模型中蕴含的知识点（请同学分条作答，28分）（1）请写出模型起飞的原理（12分）答：直升飞机的起飞是靠升力，也就是向上的力大于向下的力，其合力可以使物体上升，这个合力就是升力。
当直升飞机旋翼转动时，上方的空气流动速度快，产生的气压小；而下方的空气流动速度慢，气压大。
上下的气压差，就是飞机的升力。
当升力大于飞机本身的重力时，合力方向向上，直升机起飞。
（2）请写出电机的工作原理（10分）答：电机是将电能转化为机械能的转动装置。
模型中用到的电机为直流电机，使用直流电源供电。
电动机利用定子绕组提供旋转的磁场，直流电源向转子提供电流，由于电流在磁场中受到力的作用产生转动，从而使电动机转动。
（3）除了以上两个知识点，模型中还应用了哪些理论？（6分，答出一点合理即可）答：（1）减速机构：电机上的小齿轮带动大齿轮减速装置，减速装置将速度减小可以获得更大的动力。
（2）齿轮垂直啮合：齿轮之间通过垂直啮合改变了传动力和运动的方向，从而使直升机螺旋桨旋转。
3、描述本作品的搭建过程？答：1、将马达固定在底板上，用两个齿轮模块做垂直啮合2、将长轴与齿轮模块相连，并伸出机舱外，在长轴上安装小齿轮和大齿轮做减速装置3、组装螺旋桨与长轴连接，完成全国青少年机器人技术等级考试试卷（二级）一、实操模型样例评分标准：（1）模型框架（20分）a.框架零件的位置（10分）b.螺丝的固定程度（5分）c.框架整体协调性（5分）（2）动力传递和表现形式（15分）a.减小摩擦力的装置（5）b.齿轮装置的正确传动（5分）c.机翼安装的准确性（5分）（3）模型整体（25分）a.模型整体完整性（10分）b.外形美观（5分）c.模型整体动作顺利流畅（10分）（4）时间a.在规定时间内完成，每超5分钟扣2分（10分）二、简答题1、请写出才模型的名称后驱车2、请写出模型中韵涵的知识点（1）什么叫后驱车？后驱车是指利用后轮驱动的车辆。
六足机器人设计参考
摘要六足机器人有强大的运动能力，采用类似生物的爬行机构进行运动，自动化程度高，可以提供给运动学、仿生学原理研究提供有力的工具。
本设计中六足机器人系统基于仿生学原理，采用六足昆虫的机械结构，通过控制18个舵机，采用三角步态和定点转弯等步态，实现六足机器人的姿态控制。
系统使用RF24L01射频模块进行遥控。
为提高响应速度和动作连贯性，六足机器人的驱动芯片采用ARM Cortex M4芯片，基于μC/OS-II操作系统，遥控器部分采用ARM9处理器S3C2440，基于Linux系统。
通过建立六足机器人的运动模型，运用正运动学和逆运动学对机器人进行分析，验证机器人步态的可靠性。
关键字：六足机器人，Linux，ARM，NRF24L01，运动学AbstractBionic hexapod walking robot has a strong ability of movement, the use of similar creatures crawling mechanism movement, high degree of automation, can be provided to the kinematics, the principle of bionics research provides powerful tool. Six feet in the design of this robot system based on bionics principle, the mechanical structure of the six-legged insect, through 18 steering gear control, use the gait, such as triangle gait and turning point to control the position ofsix-legged robot. Remote control system use RF24L01 rf modules. In order to improve the response speed and motion consistency, six-legged robot driver chip USES the ARM architecture (M4 chip, based on mu C/OS - II operation system, remote control part adopts ARM9 processorS3C2440, based on Linux system. By establishing a six-legged robot motion model, using forward kinematics and inverse kinematics analysis of robot, verify the reliability of the robot gait.KEYWORD:Bionic hexapod walking robot;Linux,ARM,NRF24L01;Kinematics目录1. 绪论2. 六足机器人的硬件搭建3. 操作系统的搭建4. 六足机器人的步态分析与实现5. 总结与展望1. 绪论1.1 多足机器人的发展状况目前，用于在人类不宜、不便或不能进入的地域进行独立探测的机器人主要分两种，一种是由轮子驱动的轮行机器人，另一种是基于仿生学的步行机器人。
仿生六足机器人研究报告
项目研究报告北京理工大学机电学院 20081043 吴帆——小型仿生六足探测机器人一、课题背景：仿生运动模式的多足步行机器人具有优越的越障能力，它集仿生学原理、机构学理论、自动控制原理与技术、计算机软件开发技术、传感器检测技术和电机驱动技术于一体。
不论在何种地面上行走，仿生六足机器人的运动都具有灵活性与变化性，但其精确控制的难度很大，需要有良好的控制策略与精密的轨迹规划，这些都是很好的研究题材。
二、项目创新点：作为简单的关节型伺服机构，仿生六足机器人能够实现实时避障，合理规划行走路线。
简单的关节型机器人伺服系统不仅具有可批量制造的条件，作为今后机器人群系统的基本组成，也可以作为探索复杂伺服机构的研究对象。
三、研究内容：1.仿生学原理分析：仿生式六足机器人，顾名思义，六足机器人在我们理想架构中，我们借鉴了自然界昆虫的运动原理。
足是昆虫的运动器官。
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。
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。
并不是所有成虫都用六条腿来行走，有些昆虫由于前足发生了特化，有了其他功用或退化，行走就主要靠中、后足来完成了。
大家最为熟悉的要算螳螂了，我们常可看到螳螂一对钳子般的前足高举在胸前，而由后面四条足支撑地面行走。
四足机器人原理动态演示
四足机器人原理动态演示四足机器人是一种仿生机器人，模仿动物的四肢结构和行走方式，具备较强的平衡和移动能力。
它的原理和动态演示将在本文中进行详细阐述。
一、四足机器人的结构四足机器人的结构一般包括机械结构、动力系统、传感系统和控制系统四个部分。
1. 机械结构：四足机器人的机械结构是模仿动物的四肢结构设计的。
通常包括主体结构、四条腿和关节等。
主体结构承载着机器人的各个组件，确保整体的稳定性和强度。
四条腿具备关节和连接杆，使得机器人能够实现各种复杂的行走和运动。
2. 动力系统：四足机器人的动力系统主要由电机和驱动装置组成。
电机负责提供机器人的动力源，而驱动装置则将电机生成的动力转化为机器人四条腿的运动。
通常采用的驱动方式有液压驱动和电机驱动等。
3. 传感系统：四足机器人的传感系统能够获取外界环境的信息，以便机器人做出相应的反应。
传感系统一般包括摄像头、激光雷达、惯性测量单元等各种传感器。
摄像头用于感知周围环境的图像信息，激光雷达主要用于测量距离和障碍物检测，惯性测量单元则用于测量机器人的姿态和加速度等。
4. 控制系统：四足机器人的控制系统负责整个系统的控制和决策。
它接收传感器的信号并做出相应的反应，以实现机器人的平衡和移动。
常用的控制算法包括PID控制、模糊控制和神经网络控制等。
二、四足机器人的行走原理四足机器人的行走方式主要分为步态行走和平衡行走两种。
1. 步态行走：步态行走是四足机器人最常见的行走方式，模仿了动物的行走方式，如狗、猫等。
步态行走可以分为三种类型：三角步态、波浪步态和半步态。
步态行走中，机器人的四条腿通过协调运动，实现平衡和稳定的行走。
2. 平衡行走：平衡行走是四足机器人实现平稳移动的一种方式。
在平衡行走中，机器人通过调节身体的重心和姿态来保持稳定，采用类似人类行走的方式进行前进。
通过动力和传感系统的协调工作，机器人能够实现前进、转弯和改变速度等动态行为。
三、四足机器人的动态演示为了更直观地展示四足机器人的原理，我们进行以下动态演示。
六足仿生机器人研究报告
六足仿生机器人研究报告摘要：多足仿生机器人拥有的出色的地形适应能力使其在特种机器人领域闪耀夺目，成为近年来机器人领域的一颗无法忽视的新星。
本课题所研制六足仿生机器人由18个舵机组成6条腿，每条腿有1个水平旋转及2个垂直升降共3个自由度。
该六足仿生机器人由ATmega16单片机精确控制到每个舵机，可实现机器人模仿昆虫三三足行走。
本文将从六足仿生机器人的设计、六足仿生机器人的功能实现、六足仿生机器人的功能扩展三大方面展示研究成果。
关键词：六足仿生机器人；昆虫行走；地形适应能力；跨障一、六足仿生机器人的设计六足仿生机器人集仿生学原理、机构学理论、计算机软件开发技术、自动控制原理与技术、传感器检测技术和电机驱动技术于一体。
对于传统的行动结构，其优势在于其具有的优越的跨障碍能力，以及在复杂地形条件下的地形适应能力。
本课题基于六足仿生机器人的行走方式、行动机构结构设计、伺服器的驱动进行研究。
1.仿生学原理分析该六足仿生机器人基于模仿昆虫的运动原理设计而成，故本课题首先对昆虫如何运动进行了研究。
昆虫有3对共6条足，分别分布于前、中、后胸，由所处位置相应被称为前足、中足、后足，每条足可分为六节，由基部向末端依次为基节、转节、腿节、胫节、跗节和前跗节。
昆虫的足的主要自由度可视为3个，分别由转节、胫节、跗节完成，实现足的自由活动。
昆虫行走时每次以三条足为一组，两组足交替运动。
在昆虫的实际运动过程中，昆虫前进、后退、转向时其足皆按此方法三三足行走，只是由每条足移动的位置不同而实现不同的动作。
2.六足仿生机器人运动学分析（1）三角步态行走法昆虫运动时，它的三对足分为两组交替运动，每三足构成一个三角形支架结构，这便是三角步态行走法。
在六足仿生机器人的实际运动中，其步态多种多样，而三角步态行走法为六足仿生机器人实现行走的典型步态。
（2）六足仿生机器人的行走分析①昆虫的足主要有3个自由度，因此在机器人的每条足上我们安装了3个可实现角度精确控制的舵机来实现3个自由度，其中1个水平旋转自由度、2个垂直升降自由度。
三维步态分析在骨科康复等临床医学的应用
三维步态分析在骨科康复等临床医学的应用作者：刘安民先生，英国曼彻斯特索尔福德大学健康学院研究员一步态分析研究的历史行走是人类最基本的运动，行走的姿态可分为不同的类型。
步态分析是一门有关人行走过程中, 体态, 骨骼间(关节) ，肌肉与肢体，以及肢体与外界物体间相对运动，力学关系的分析方法。
步态分析是固体力学在生物系统应用(即生物力学)的典型范例。
人类对动物及自身姿态及运动的兴趣和研究起源可以上溯到公元前三个多世纪的亚里士多德。
他的‘动物的行走’被广泛认为是人类有关包括自身在内的动物行走研究的最早专著。
文艺复兴时期的艺术家达分奇被认为是生物力学的先驱之一，因为他首次在力学环境下研究人的骨骼解剖结构。
十七世纪的法国物理家勒内·笛卡尔最早提出人和所有动物的行走都遵循统一的力学法则，他的这一思想对促进和推动生物力学的持续发展起到了重要作用。
同一时期的意大利物理家乔瓦尼·阿方索·博雷利接受了这一思想，并对鸟和鱼等走，跑、跳、飞和游等动作进行了研究，他甚至在力学框架内研究了心脏的活塞运动。
确定人体重心的位置，测量出吸和呼的空气量，并指出吸气是肌肉收缩造成，而呼气是由于身体组织弹性造成。
博雷利首次阐明骨肌系统的杠杆结构对运动而不是力本身的放大作用。
肌肉必须产生足以克服运动阻力的力才能实现运动。
受伽利略影响，他在牛顿三大定律发表前便建立了直观了解关节静力平衡规律的方法。
运动是生物力学的重要组成部分，有关动物运动及人类步态的研究随着工业革命的开始得到进一步发展，首先，著名的德国爱德华·韦伯和威廉·韦伯兄弟正式系统地对人类行走进行了研究，1836年合著了‘人类行走力学’。
随后, 相机的发明对生物运动学产生了巨大推动作用。
该时期的法国生理学家艾蒂安·朱尔斯·马雷在专著‘动物机械原理’中，提出了动物，人和机器都遵守同一物理法则，人体仅是有生命的机器的理论。
控制六足仿生机器人三角步态的研究_漆向军
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AB STRACT:B ased on the princip le s o f bionics and the m ovem en tm echanism o f the hex apod , the tr iang le ga it m ovem ent princip le of hexapod robo t is ana ly zed. T his pape r describes seve ral basic parame te rs o f ga it rese arch fo r hexapod robo t and discu sse s the g ait study m e thod u sing re lative m ovem ent p rincip le. Then the com ponen ts o f the F ischer te chnik part a re used to build a six - legged robo.t T he m ode l posse sse s the cha rac te rs of sim ple stru cture, unique design, can wa lk fo rw a rd and backw ard, and can avo id m in i - ba rrie r. T he expe rimen ts show that this robo t has good m obility and stab ility. K EYW ORDS:H exapod robo t;T ripod g ait;Fou r conne cting rod m echan ism
仿生蜘蛛机器人的设计与研究
ii
目
录
摘 要....................................................................................................................... i ABSTRACT............................................................................................................ ii 目 录................................................................................................................... iii 1 绪 论.................................................................................................................. 1 1.1 课题背景及目的................................................................................................ 1 1.2 仿生机器人研究现状及发展趋势............................................................ 2 2 设计思路.............................................................................................................. 7 2.1 仿生学原理分析........................................................................................ 7 2.1.1 仿生蜘蛛机器人的研究方法及思路............................................ 7 3 整体设计方案...................................................................................................... 9 3.1 工作原理分析............................................................................................ 9 3.1.1 三角步态原理分析........................................................................ 9 3.1.2 机器人走动步态分析.................................................................... 9 3.2 机器人机构总体设计............................................................................... 9 3.3 电机的选择............................................................................................. 13 3.4 舵机驱动原理......................................................................................... 15 3.4.1 舵机原理...................................................................................... 16 3.4.2 舵机控制方法.............................................................................. 16 4 零件的设计........................................................................................................ 18 4.1 躯干的设计............................................................................................. 18 4.2 基节设计................................................................................................. 19 4.3 关节盖的设计......................................................................................... 20 4.4 胫节片的设计......................................................................................... 20 4.5 足的设计................................................................................................. 22 4.6 连接杆的设计......................................................................................... 22 4.7 固定片的设计......................................................................................... 23 结 论..................................................................................................................... 24 参考文献................................................................................................................. 26 致 谢..................................................................................................................... 28
四种常见的偏态步态
四种常见的偏态步态
1. 内旋步态：当一个人走路时，脚向内旋，脚趾向内，脚掌向内倾斜。
这种步态通常是由于下肢骨骼结构异常或肌肉失衡引起的。
2. 外旋步态：与内旋步态相反，外旋步态是指脚向外旋，脚趾向外，脚掌向外倾斜。
这种步态常见于股骨头坏死、肌肉麻痹或肌肉萎缩等情况。
3. 瘫痪步态：瘫痪步态是由于下肢肌肉或神经功能受损导致的步态异常。
这种步态通常呈现出无力、拖曳和不稳定的特点。
4. 弓形步态：弓形步态是指在行走过程中，足部弓形过度，脚掌过度凸起。
这种步态通常是由于足弓肌肉或韧带损伤引起的。
看《长腿行者—盲蛛的步行方式》有感_观后感
看《长腿行者—盲蛛的步行方式》有感看《长腿行者—盲蛛的步行方式》有感
李翟清
大自然里有很多种神奇的小动物：有两条腿的、有四条腿的、有八条腿的动物……。
今天我观看了“蓝鲸科学电影院”获奖作品中的《长腿行者——盲蛛的步行方式》，不仅惊叹大自然的神奇，更加惊叹盲蛛的步行方式。
我明白了为什么盲蛛视力不好还能在山石上飞檐走璧？为什么盲蛛虽然是8足动物，但它只用6足来行走，又是怎样来行走的？原来盲蛛能飞檐走壁是因为盲蛛是8足动物，用6足来行走，他的另两足会在行走的过程中不断触碰地面，只用于探路，弥补盲蛛视力方面的缺陷。
所以，盲蛛既不同于那些用8足行走的蜘蛛，也不同于只有6足的蚂蚁，盲蛛的步行方式到底是怎么的呢？
8足盲蛛在步行时会呈现“三角步态”：X、Y、Z3条足固定在地上支撑身体时，X＇、Y、Z3条足抬起向前迈进；迈进一段距离之后落在地面上支撑身体，X、Y、Z抬起向前迈进，再落下，循环往复。
盲蛛这种奇异的步行方式带给我们许多灵感，也许在不久的将来，当行星探测器遇上复杂的地形时，就可以用盲蛛步行方式来化解前进道路上的种种障碍。
我很佩服大哥哥严谨认真的实验态度，让我懂得了很多知识。
大
自然中有很多奥秘，让我们一起来探索吧！。
六只脚的运动规律
六只脚的运动规律引言在动物界中，有一些特殊的生物拥有六只脚。
与常见的四足动物相比，六足动物的运动规律可能存在一些不同之处。
本文将探讨六足动物的运动规律，包括其步态、协调性和适应性等方面。
六足动物的步态六足动物的步态通常可以分为几种类型，包括三角步态、同步波步态和螃蟹步态等。
这些步态在不同的六足动物中可能存在差异，但总体上都能保证动物的稳定性和高效性。
三角步态三角步态是一种常见的六足动物步态，它的特点是前后三只脚交替着支撑身体。
具体来说，当动物的左前脚着地时，右后脚和左后脚同时着地，然后右前脚再着地。
这种步态能够保证动物在移动时保持稳定，减小能量消耗。
同步波步态同步波步态是另一种常见的六足动物步态，它的特点是动物的六只脚按照一定的节奏同时着地。
具体来说，当动物的左前脚着地时，其他五只脚也会同时着地。
这种步态能够提高动物的移动速度和协调性。
螃蟹步态螃蟹步态是一种特殊的六足动物步态，它的特点是动物的左前脚和右后脚同时着地，然后右前脚和左后脚同时着地。
这种步态能够提高动物的机动性和灵活性，使其能够在狭窄的环境中自如地移动。
六足动物的协调性六足动物在运动中需要保持良好的协调性，以便稳定地移动和适应不同的环境。
协调性涉及到六只脚的运动模式、步态转换和身体平衡等方面。
运动模式六足动物的运动模式通常由中枢神经系统控制。
中枢神经系统能够感知动物的运动状态和环境变化，并通过神经信号调节六只脚的运动。
这种协调性能够使动物在不同的地形和情况下保持平衡和稳定。
步态转换六足动物在不同的速度和环境中需要进行步态的转换。
步态转换是指动物从一种步态无缝切换到另一种步态的过程。
通过合理的步态转换，六足动物能够在不同的速度下保持稳定，并适应不同的地形和障碍物。
身体平衡六足动物的身体平衡对于其运动非常重要。
身体平衡是指动物在运动中保持身体的稳定性和垂直性。
六足动物通过调节六只脚的力量和姿势来保持身体平衡，以便稳定地行走、奔跑和爬行。
六足动物的适应性六足动物的运动规律不仅与其步态和协调性有关，还与其适应不同环境的能力有关。
六足机器人步态规划及其静态稳定性研究
六足机器人步态规划及其静态稳定性研究张春阳;江先志【摘要】以一种新型六足机器人样机为研究对象,研究机器人直线行走步态及其在该步态下的稳定性.分别规划了一种六足机器人纵向与横向直线行走的三角步态,给出了六足机器人在三角步态下步长以及稳定裕度的计算方法,并分析了六足机器人在三角步态下的静态稳定性.六足机器人采用三角步态直线行走时,不考虑惯性力对机器人稳定性的影响,在其步长满足一定条件时,六足机器人是静态稳定的.【期刊名称】《成组技术与生产现代化》【年(卷),期】2016(033)002【总页数】8页(P40-47)【关键词】六足机器人;步态;静态稳定性【作者】张春阳;江先志【作者单位】浙江理工大学机械与自动控制学院,浙江杭州310018;浙江理工大学机械与自动控制学院,浙江杭州310018【正文语种】中文【中图分类】TP242.6科学技术的发展扩大了人类的活动空间，新型多足仿生机器人的研究越来越受到人们的关注.六足机器人因其步态相比八足机器人简单且高效，相比四足机器人具有更高的稳定性，所以六足机器人行走步态成为仿生机器人领域中研究的热点.六足机器人的步态规划是其行走的关键技术，步态规划直接关系到机器人的行走质量.好的行走步态，能保证机器人在行走过程中具有良好的稳定性以及较高的运动效率，反之，不仅不能使机器人获得良好的稳定性以及行走品质，而且很有可能导致机器人根本不能行走.经过人们对六足昆虫行走策略的研究，对于六足机器人，根据其在行走过程中支撑足的数目，可将其行走形式分为三角步态[1-5]、四足步态以及波动步态[6].其中，三角步态为六足机器人最常用的步态，其稳定性好、行走效率高.六足机器人在行走过程中，其步长对机器人稳定性具有一定的影响，为保证机器人具有良好的稳定性，机器人行走时应选取适当的步长.本文以六足机器人样机为研究对象，规划了六足机器人横向与纵向直行的三角步态，并结合其步长分析了机器人在采用三角步态直行时的稳定性.本文研究的六足机器人样机，以六足昆虫结构及运动特性为基础，采用结构仿生实现在复杂环境下灵活运动.图1是六足机器人样机.机器人机身以及其足部杆件均由铝合金材料制作而成，质量轻，强度高.机器人机身纵向整体长160 mm，中间宽130 mm，机身两端的宽度为75 mm，站立时机器人机身的几何中心距离地面85 mm.机器人每个足部拥有三个转动副：髋关节实现平行于机身平面的转动和垂直于机身平面的转动；膝关节实现垂直于机身平面的转动.髋关节的两个转动副的轴线相互垂直，髋关节第二个关节的轴线与膝关节轴线平行，机器人关节均用舵机驱动.图2为六足机器人的运动模型，标出了机器人机身尺寸以及足部关节间连杆的长度，并将机器人足部进行编号以方便后续讨论.步态是生物学领域的专业术语，是指人或动物通过肢体运动并前进的一种周期性形式.对于机器人而言，步态即机器人摆动足和支撑足周期性交替顺序的形式[7].为了分析步态，可将其每个周期分成多个部分.本文在对以仿生学为原理的六足机器人进行研究时，需要借鉴相关生物学概念[8]，具体如下：(1)步态(Gait)，为足部支撑足与摆动足周期性交替的形式.(2)支撑相(Support Phase)，为足部落地并对机体起到支撑作用的状态.(3)摆动相(Swing Phase)，为足部悬空并摆动的状态.(4)支撑多边形(Support Polygon)，为足部支撑点所构成的凸多边形在水平面上的投影.(5)步长(Step Length)，为行走系统支撑足与摆动足完成一个周期性交替动作，系统的重心前进或后退的距离.六足昆虫在行走过程中，采用的是三角步态，仿生六足机器人也是采用此步态.该步态速度快，灵活性高，稳定裕度大，机器人在运动时总有3个足对机器人进行支撑，每个支撑过程都使机器人向前运动一个步长，保障机器人机身平衡的同时使机器人获得最快的前进速度[9].本文所涉及六足机器人直行的三角步态，是重心固定的静步态，也就是机器人在迈步过程其重心一直处于不变的位置[10].相反，如果重心随机器人迈步而变动，则称为动步态.2.1 六足机器人纵向行走三角步态规划为方便描述六足机器人的纵向直行步态，将其6足进行编号(图3).六足机器人纵向行走初始，1、4、5号足抬起向前迈步处于摆动相，2、3、6号足进行支撑，保证足部支撑点构成的支撑三角形包络六足机器人重心在支撑平面内的投影，如图3(a)所示.当 1、4、5号足向前摆动到预定位置时，呈支撑相的2、3、6号足在各自髋关节舵机的作用下使机身前进一个步长S，如图3(b)和3(c)所示.当1、4、5号足完成向前迈步，随即进入支撑相，2、3、6号足抬起准备向前迈步，进入摆动相，如图3(d)所示. 当 2、3、6号足向前摆动到达预定位置的同时，处于支撑相的1、4、5腿在各自髋关节舵机的作用下使机身前进一个步长S，如图3(e)、图3(f)所示.上述过程循环往复，六足机器人便可以在地面上纵向行走.2.2 六足机器人横向行走三角步态规划六足机器人横向运动初始，2、3、6号足抬起向侧面(图4为右侧)迈步处于摆动相，1、4、5号足进行支撑，保证足部支撑点构成的支撑三角形包络六足机器人重心在支撑平面内的投影，如图4(a)所示.与2、3、6号足向侧面(图4为右侧)运动到预定位置的同时，呈支撑相的1、4、5号足在各自髋关节以及膝关节的舵机作用下使机身向侧面(图4为右侧)前进一个步长S，如图4(b)和(c)所示.当2、3、6号足完成向前迈步，随即进入支撑相，1、4、5号足抬起准备向前迈步，如图4(d)所示，进入摆动相.当 1、4、5号足向侧面(图4为右侧)运动到达预定位置时，呈支撑相的2、3、6腿在各自髋关节以及膝关节舵机作用下使机身向侧面(图4为右侧)前进一个步长S，如图4(e)和(f)所示.上述过程循环往复，六足机器人便可以在地面上横向行走.2.3 六足机器人直线行走三角步态相序六足机器人在纵向和横向行走过程中，足部两相循环变化使机器人前进，呈现明显的周期性和规律性.为了提高机器人在运动过程中的稳定性以及行走质量，支撑相的时间略大于摆动相的时间.这样可以保证机器人每一次摆动都能到位，给予机器人良好的支撑.六足机器人三角步态每条腿的两相变化如图5所示，其中黑色代表支撑相，白色代表摆动相.在六足机器人行走过程中，若已知机器人步长和迈步的频率，即可得知机器人移动速率.若迈步频率一定，机器人的速率由它的步长决定.因此，计算六足机器人步长对提高机器人移动效率以及移动的稳定性有着非常重要的意义.为了计算六足机器人三角步态下直线行走的步长，需要确定机器人足部关节在直行时的初始位姿，然后根据关节的初始位姿计算机器人直行的步长.3.1 六足机器人直行足部关节初始位姿确定当机器人纵向直线行走时，机器人从位置p1运动到p2时，机器人向前前进一个步长S1(图6).其中φ是机器人足髋关节向前向后摆动的最大角度，d是足部支撑点至髋关节关节轴线的距离.为方便研究，机器人的六足摆动角度均设为φ，支撑点至髋关节轴线的距离均设为d.在图7中，连杆L2，L3位置OPN为机器人纵向直线行走时，右侧足的支撑位姿，左侧足位姿与其相对于机身中轴线对称.连杆L2相对于连杆L1的延长线逆时针摆动θ1，连杆L3相对于连杆L2的延长线顺时针摆动θ2，此时L3垂直于地面，支撑点N至Joint1(髋关节)关节轴线的距离为d(对应图6中的d).当机器人横向直线行走时(图7)，连杆L2，L3位置OGR为机器人向右横向行走时右侧足的位姿，左侧足位姿与其相对于机身中轴线对称.连杆L2相对于连杆L1的延长线逆时针摆动角度β1，连杆L2相对于连杆L1的延长线顺时针摆动角度β2.为了方便研究，机器人每侧足横向直行的位姿相同，两侧足的位姿关于机器人中轴线对称.当连杆L2、L3从位置OGR运动到OGM时，机器人机身向右侧前进一个步长S2.3.2 六足机器人直行步长计算根据几何关系，由图6可知：S1=2ssin(φ)机器人足部连杆L1、L2、L3的长度分别是l1、l2、l3，根据几何关系，由图7可知：d=l1+l2cos(θ1)GH=PN-(PK-GQ)=l3-l2sin(θ1)+l2sin(β1)∠MGH=arccos(GH/GM)=arccos(l3-l2sin(θ)+l2sin(β))/l3由式(1)—式(8)可得：根据式(1)和式(2)，当θ1、φ为确定值时，六足机器人纵向直行的足部初始位姿及其步长确定.根据六足机器人纵向直行的初始位姿，由式(6)和式(8)得知，当θ1、φ、β1为确定值时，六足机器人横向直行足部初始位姿及其步长确定.六足机器人在足部确定位姿下，其横向和纵向直行的步长如式(9)所示.六足步行机器人在步行时能够保证机体处于平衡状态且不出现翻跌称为静态稳定性步行[11].本文中六足机器人的步态是静步态，不考虑机器人运动时产生的惯性力对其稳定性的影响.4.1 六足机器人三角步态稳定裕度Mcghee和Iswandhi于1976年提出静态稳定裕度SSM(Static Stability Margin)的概念[12].SSM稳定裕度的定义是重心投影点距离投影支撑多边形各边的最小距离，其数学表达式为：式中：SSSM为静态稳定裕度；ln为支撑足数，di G为重心投影至支撑多边形第i 条边的距离.当SSSM>0时，机器人处于稳定状态；反之，则是不稳定的.对于六足机器人来说，当机器人在运动时，其支撑多边形一直包络其重心在支撑平面内的投影，机器人的步态就是静态稳定的.图8所示,三角形区域表示机器人3个处于支撑相的足.在支撑平面内构成的稳定区域，只要机器人的重心在支撑平面内的投影G一直被其包络，机器人就是静态稳定的, 如果投影点超出了区域范围机器人便会失稳.S1、S2、S3是机器人重心投影点G距离机器人支撑三角形边界的距离,SSSM=min{S1,S2,S3}就是机器人行走状态下的稳定裕度.图9中所示L1，L4，L5点为某一瞬时机器人某3足在地面的支撑点，三角形L1，L4，L5为3个支撑足在支撑平面上构成的多边形. 其中点O为六足机器人重心投影点,X向为机器人横向行走的前进方向，Y轴方向为机器人横向运动的方向.OM1，OM2，OM3为六足机器人重心投影点在支撑平面内到支撑多边形L1，L4，L5各边的垂直距离,垂足为M1，M4，M5.由图9中L1,L5的坐标可得直线L1L5的斜率,则直线L1L5的方程为：由于直线OM1和直线L1L5垂直，因此OM1的斜率为，则直线OM1的方程为：可得以上两直线的交点M1的坐标：,用上述方法即可求M2，M3的坐标：,由此得出六足机器人重心投影点O到支撑三角形三条边的距离S1、S2、S3的值：六足机器人的稳定裕度为：4.2 六足机器人横向直行三角步态稳定性分析六足机器人在横向运动时,要保证重心投影点处于支撑多边形范围内，结合图7，其步长理论上满足关系<|OL4|(即S2<2(|OD|+d))，六足机器人将不会失稳.假设|AB|=2a、|GH|=2b、|CD|=2c(实际长度均可以在机器人机身测得)，六足机器人的横向的临界步长应为：S2=2(|OD|+d)=2(c+l1+l2COS(θ1)).在六足机器人纵向与横向直行初始位姿确定后，即可计算此位姿下机器人横向三角步态直线行走的临界步长.当六足机器人横向直线行走时，若其步长小于临界步长，机器人的稳定裕度大于零，机器人静态稳定.本文规划的横向直行的三角步态，当六足机器人向右(左)横向运动时其足部末端点的运动范围不会越过机器人重心，而且其步长满足关系<d，即机器人重心投影点一直处于支撑三角形范围内，六足机器人横向直行过程保持静态稳定.4.3 六足机器人纵向直行三角步态稳定性分析六足机器人纵向直行时，机器人足向前摆动支撑，如果机器人的步长太大，机器人重心的投影将会在支撑三角形的范围之外，这时机器人的稳定裕度小于零，机器人失稳.为保证机器人在纵向直行过程中不出现失稳，需求出能保持机器人纵向行走不失稳的临界步长.图10所示，当六足机器人第1、4、5号足分别由点L1，L4，L5摆动至点L1′，L4′，L5′时，机器人的支撑三角形由L1L4L5变为L1′L4′L5′，机器人重心O正好落在此时支撑三角形L1′L4′L5′的L4′L5′边上.为方便研究，六足机器人每个足的摆动角度相同.为了机器人在纵向直行的过程中不失稳，保证机器人重心在支撑三角形L1′L4′L5′范围内，需保证直线L4′L5′在Y轴上的截距yb小于零.L4′L5′的坐标为：L4′(c+dcosφ,dsin φ)、L5′(-(a+dcos φ),b(-dsin φ))，则直线L4′L5′的方程是：当x=0时，，其中.将sin φ、cos φ代入yb中，整理可得：令yb=0，可得到：式(19)中a、b、c的值可在机器人本体上测得.当机器人纵向直行初始位置确定时，d的值随之确定，通过MATLAB解方程可得到六足机器人纵向直行的临界步长S1.只要机器人纵向行走的步长小于临界步长S1，其重心的投影就在支撑三角形范围内，机器人理论上不会失稳.由于机器人机械结构在制造上存在误差，步长需进一步调整，以保证机器人在行走过程中的步态静态稳定.本文针对六足步行机器人，规划其纵向与横向直线行走的三角步态，给出了六足机器人以这两种步态行走时步长以及稳定裕度的计算方法，结合步长分析了六足机器人直线行走的静态稳定性.对机器人直行时的稳定性分析得知，六足机器人以三角步态行走时稳定裕度和步长有着紧密的关系.当机器人的步长超过其能保持机身静态稳定的临界步长时，机器人在行走过程中稳定裕度将会小于零，机器人将失稳.根据本文分析，调整机器人关节的运动范围，机器人在行走过程中可以具有较大的稳定裕度，同时机器人具有较大的步长.这为设计机器人物理样机以及现有六足机器人直行稳定性的提高提供了理论依据.【相关文献】[1] 徐小云, 颜国正, 丁国清. 微型六足仿生机器人及其三角步态的研究[J].光学精密工程,2002,10(4):392-396.[2] 徐小云, 颜国正，丁国清，等. 六足微型仿生机器人及其控制系统的研究[J].计算机工程,2002,28(11):81-83.[3] YU S, YAN W. 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行走原理
六足类的昆虫行走时，一般不是六足同时直线前进，而是将3对足分成两组，以三角形支架结构交替前进。
身体左侧的前后足及右侧中足为一组，右侧的前、后足和组侧的中足为另一组，分别组成两个三角形支架。
当一组三角形支架中所有的足同时提起，另一组三角形的足原地不动，支撑身体并以中足为支点，前后关节肌肉收缩，拉动身体向前，后足的关节肌肉收缩，将虫体向前推，同时虫体的重心落在另外一组三角形支架的三足上，然后重复前一组的动作，互相轮换周而复始。
这种行走方式可以使昆虫随时随地停止下来，因为重心总是落在三角支架内。
这就是典型的三角步态走法。
运动时六角成两组三角形交替支撑迈步前进。
本设计采用的三角步态运动示意图如图1。
接触地面的腿如黑方块所示，形成稳定的三角结构，这样模型通常会保持直立平稳的走资而不会走路时跌跟头。
图1 三角步态运动示意图
六足行走方案的具体分析
下面对这个行走方案做具体的分析。
图2 前进运动步态示意图
前进：前进运动步态示意图如图2，以1，3，5足作为支撑点，2,4,6足向上提起，再向前迈进，然后放下，等着地后，以2,4,6足为支撑点，将1,3,5足向上提起，再向前迈进，然后再放下，这样就完成了向前行走的全套动作。
同理，当向左转的时候，以1,3,5足作为支撑点，2,4,6足向上提起，再向左转，然后放下，等着地后，以2,4,6足为支撑点，将1,3,5足向上提起，再向左旋转，然后再放下，这样就完成了向左旋转的全套动作。
同理，当向右转的时候，以1,3,5足作为支撑点，2,4,6足向上提起，再向右转，然后放下，等着地后，以2,4,6足为支撑点，将1,3,5足向上提起，再向右旋转，然后再放下，这样就完成了向左旋转的全套动作。
要实现很自然的行走还是有难度的，只能做到稍微再把速度加快一点。
原来是只有在腿放下往后摆动的瞬间，整体是往前进行一次移动，为加快速度，现在在脚前摆的瞬间，后脚同时增加了一个向后蹬的动作，即多了一个时间点向前移动。
因此整体行进速度快了一点。