双足步行机器人的下肢机构自由度分析

（ ） 柔 软 的地 面上 运 动 ， 率不 会 显 著 降 低 。 ３ 在 效 这 是 因为脚 在 软 地 行走 时 ， 面 的变形 是 离散 的 ， 地 至
导步行机器人的研究和开发。其典型实例 ， 是Biblioteka Baidu残疾
多是损失在一个坑 的能量 ，而且脚还可以利用下沉 人研制假肢或轮椅等步行载体 。 产生推力 ，即脚 的运动能量变成地面弹性体的位能 储存 。当脚前进时 ， 这个位能又释放出来 ， 因而可以 ３ 双足 步行机器人的机构设计 减少步行机器人动能的损失【 ｌ Ｊ 。 双足步行机器人的机构 ， 是所有部件 的载体 ， 也
阶段 。
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（） ２ 髋关 节 和踝 关节 自由度 的配 置 。 机 器人 步 从 行 过 程可 以看 出 ， 器 人 向前 迈 步 时 ， 机 髋关 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。机器人要达 到 目 标位 置 ， 有时必须进行转弯 ， 以需要有髋 关节上 的 所
２ 仿人形机器 人研 制的价值和意 义
是设计双足步行机器人最基本的和首要的工作 。根 据双足步行机器人在 自由度 、 驱动方案 、 结构特征等
机器人的机构就不 同， 从而使得其控制 虽然双足步行是 生物界难 度最高的步行 动作 ， 方面的不 同， 但其步行性 能 ， 却是其他步行结构所无法比拟的。双 方式也有所差别 。 足步行机器人 ， 是工程上少有的高阶 、 非线性 、 非完 在分析了步行运动状态的基础上 ， 确定双足步行
摘 要 ： 了设 计 出一种即经济 简单 又能满足功 能要 求的步行机 器人 ， 为 在分析 了步行运动状 态的基础上 ， 定 了双足 确
步 行 机 器人 下肢 机 构 自由度 的分 配 。
关键词 ： 双足机器人 ； 自由度 ； 步行 ； 机构 中图分类 ： Ｐ ４ Ｔ ２２ 文献标识码 ： Ａ 文章编号： ６ ２ ５ ５ ２ １ ）６ ０ ７ — ２ １ ７ — ４ Ｘ（ Ｏ １ ０ － ０ ８ ０
（） １ 可以在高低不平 的地段上行走 ， 且具有较高 法 ， 是研究步行机器人。由于动物和机器需要完成相 的逾越障碍的能力 。其能在结构化和非结构化的环 同的任务 ， 它们 的控制系统和机械结构 ， 必须解决类
境 中 ， 现双 足 稳 定行 走 ， 实 能在 与 人类 同样 的行 走 空 间 内移动 ， 跨越 障碍 ， 如 上下 台阶 ， 下斜 坡等 。 上
３ １ 基 本 功能 的 实现 ．
躁关 节 自由度
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１ ７ ０
一
表 １ 自 由度 分 配 表
膝关节 自由度 髋关节 自由度
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藉体、 偏转 俯仰、
机 械 结构 的设 计 ，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 。
１ 步行 机器人 的优越性
是为了更好地 了解人类和其他动物 的行走机理 ， 并 为下肢瘫痪者提供较理想的假肢。尽管人类对腿 和
但对行走和奔跑的控制机制 的理解 ， 移动机器人 的步行移动 ，有其他移动方式所无 身体运用 自如 ，
法 比拟 的优 越性 ， 主要表 现 为 ：
仍处于初始 阶段。探讨动物运动控制机理的一种方
Ｅｑ ｉ ｍｅ ｔ ｕ ｐ ｎ Ｍａ ｔ ａ ｔ ｎ ｅ ｈ ｏｏ ｙ Ｎｏ６ ２０１ ｎ ｆ ｅｒ ｇ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ ． ｉ ｌ
．
双足 步 行 机器 人 的 下肢 机构 自 由度分 析
陈 娜 ’卢 威 ｚ ，
（． １重庆大学 机械工程学院， 重庆 ４０ ２ ； ． ００ ４ ２ 张家界航空职业技术学院 ， 湖南 张家界 ４ ７０ ） ２００
前 运行 的绝 大 多 数机 器 人 都是 固定式 的 。移 动机 器 学 、 人工智能、 计算机 图形、 通信等相关学科 的发展 。
人， 能够移动到固定式机器人无法到达 的预定 目 ， 标
完成相应 的操作任务。
因此 ， 仿人形机器人 的研制 ， 具有十分重大 的价值和 意义 。
研究开发双足步行机器人 的另一重要 意义 ， 就
机器人按其移动性 ，可以分为固定式机器人 和 整约束的多 自由度系统【 ” 。这对机器人的运动学 、 动 移 动 机器 人 。 固定式 机 器 人 ，是 指 固定 在 某个 底 座 力 学及 控 制理 论 的研 究 ，提 供 了一个 非 常 理 想 的 实 上 ， 台机 器 人 不 能 够 移 动 ， 能移 动 各 个 关 节 ； 验平台。另外 ， 整 只 目 人形机器人 的研究 ， 还可以推动仿生
Ｘ
俯仰、 偏转
俯仰
（） １ 对行走步骤 的分析 。 我们分析一下步行机器 人的运动过程（ 向） 前 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 ， 腿抬 起 ， 腿放 下 ， 心 移 到双 腿 间 ， 右 右 重 共分 ８个
收 稿 日期 ：０ １ ０ — ９ ２ １＿ ３ １
作者简 介 ： 娜 （９ Ｏ ） 女 ， 陈 １ ８一 ， 贵州人 ， 讲师 ， 工程硕士在读 ， 主要从事数控工程研究。
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《 装备制造技术）Ｏ １ ２ ｌ 年第 ６ 期
机器人 自由度的分配 ，才能根据特定 的结构特征 ， 构 建 了双足步行机器人的基本框架 ， 并用三维建模软件 Ｕ ｉ ａｈｃ 建 立 了双足 步行 机器 人 的实 体 模型 。 ｎｇ ｐ ｉｓ ｒ
似的问题。通过研究步行机器人 ， 我们能够更好地分 析这 些 问题 ， 到 真 正 的答案 。再 者 ， 物 行走 机 理 得 动
的研 究 和步 行机 的开 发 ， 是双 向互 惠 的 ， 旦对 动物 一 行 走 机 理有 了正确 的理解 ，可 以反 过 来 更有 效 地 指
（） ２ 由于脚 的主动性 ， 身体不随地面晃动。