气动仿生六足机器人腿部设计与运动实验
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2019 年 2 月 第 47 卷 第 4 期
机床与液压
MACHINE TOOL ＆ HYDＲAULICS
Feb. 2019 Vol. 47 No. 4
DOI： 10．3969 / j. issn. 1001－3881. 2019. 04. 016 本文引用格式： 赵云伟，吴智聪，刘晓敏，等．气动仿生六足机器人腿部设计与运动实验［J］．机床与液压，2019，47（ 4） ： 67－71．
关键词： 六足机器人； 柔性关节； 气压驱动； 工作空间 中图分类号： TH138. 5
Leg Design and Motion Experiment of Pneumatic Hexapod Bionic Ｒobot
ZHAO Yunwei1，WU Zhicong2，LIU Xiaomin1，LIU Qi2 （ 1. Engineering Training Center，Beihua University，Jilin Jilin 132021，China； 2. Mechanical Engineering College，Beihua University，Jilin Jilin 132021，China）
气动仿生六足晓敏1 ，刘齐2
（ 1. 北华大学工程训练中心，吉林吉林 132021； 2. 北华大学机械工程学院，吉林吉林 132021）
摘要： 为了提高气动仿生六足机器人的灵活性，机器人腿部采用三自由度气动空间弯曲柔性关节驱动，腿部装有抬升 机构，可改变腿部的抬升高度，调整机器人重心高度。建立了腿部抬升高度和步距模型，利用三维运动捕捉系统，获得机 器人腿部抬升高度、关节形变和足部工作空间，并分析了六足机器人越障高度。通过理论计算和实验可知，机器人腿部运 动灵活，可跨越高度为 30 mm 的障碍。该研究为气动柔性关节仿生六足机器人的步态规划和控制提供了参考。
Keywords： Hexapod robot； Flexible joint； Pneumatic drive； Working space
0 前言 与轮式和履带式机器人相比，足式机器人采用足
部与地面点接触的方式运动，具有更好的灵活性和机 动性、对复杂地 面 的 适 应 能 力 强 等 特 点［1］。 近 年 来， 足式机器人在农业、军事和地质探测等领域得到进一 步应用，尤其是稳定性好、承载能力高的仿生六足机 器人［2］。美国伊利诺伊州大学 F DELCOMYN 等［3］研 制了一种类似昆虫的仿生六足机器人，该机器人仿照 美洲螳螂外形采用类似螳螂的腿部结构和类生物肌肉 驱动器。韩国海洋系统工程研究部门 H SHIM 等［4］研 制了一种用于水下环境作业的六足机器人，分析了其 在复杂水下环境下的动力学特性。国内哈尔滨工业大 学研制了大尺度重载液压驱动六足机器人，研究了腿 长比例对步行速度和关节速度的影响，并提出一种减 小足地接触冲击的足端轨迹规划方法［5－6］。文献 ［7］
中介绍了一种六足步行机器人三自由度腿部机构，该 机构由并联驱动机构和行走机构组成，既具有并联机 构的特点，又 具 有 很 好 的 防 护 性。 燕 山 大 学 荣 誉 等 人［8－9］将并联机构用于六足机器人腿部结构，并对该 机构进行了静力学和运动学分析，建立了位置逆解模 型与速度映射方程。
腿部作为机器人的主要执行机构，合理的结构设 计是机器人稳定行走的关键，国内外学者研制的足式 机器人的腿部结构多采用分段刚性结构，缺乏类似生 物肌肉的柔顺性和灵活性。而气动柔性关节在柔性、 运动和驱动等方面与生物肌肉相似，适于作为机器人 的腿部结构。本文作者采用气动空间柔性关节作为机 器人的腿部关节，针对机器人越障设计了腿部抬升机 构，建立了抬升高度和步距模型，并采用三维运动捕 捉系统进行了腿部的运动学实验。
ZHAO Yunwei，WU Zhicong，LIU Xiaomin，et al． Leg Design and Motion Experiment of Pneumatic Hexapod Bionic Ｒobot［J］．Machine Tool ＆ Hydraulic，2019，47（ 4） ： 67－71．
Abstract： To improve the flexibility of the pneumatic hexapod robot，the legs of hexapod robot were driven by tri-muscle pneumatic space bending flex joints． The leg was equipped with lifting mechanism，which could change the lifting height of the leg and adjust the height of the center of gravity of the robot． The lifting height and step distance model of robot leg were built． 3D motion capture system was used to acquire the lifting height of robot leg，joint deformation and foot working space，and the obstacle crossing height of the hexapod robot was analyzed． The calculation and experiments show that the motions of legs are flexible and the robot can pass through the barrier with 30 mm height． The achieved results provide references to the gait planning and control．
机床与液压
MACHINE TOOL ＆ HYDＲAULICS
Feb. 2019 Vol. 47 No. 4
DOI： 10．3969 / j. issn. 1001－3881. 2019. 04. 016 本文引用格式： 赵云伟，吴智聪，刘晓敏，等．气动仿生六足机器人腿部设计与运动实验［J］．机床与液压，2019，47（ 4） ： 67－71．
关键词： 六足机器人； 柔性关节； 气压驱动； 工作空间 中图分类号： TH138. 5
Leg Design and Motion Experiment of Pneumatic Hexapod Bionic Ｒobot
ZHAO Yunwei1，WU Zhicong2，LIU Xiaomin1，LIU Qi2 （ 1. Engineering Training Center，Beihua University，Jilin Jilin 132021，China； 2. Mechanical Engineering College，Beihua University，Jilin Jilin 132021，China）
气动仿生六足晓敏1 ，刘齐2
（ 1. 北华大学工程训练中心，吉林吉林 132021； 2. 北华大学机械工程学院，吉林吉林 132021）
摘要： 为了提高气动仿生六足机器人的灵活性，机器人腿部采用三自由度气动空间弯曲柔性关节驱动，腿部装有抬升 机构，可改变腿部的抬升高度，调整机器人重心高度。建立了腿部抬升高度和步距模型，利用三维运动捕捉系统，获得机 器人腿部抬升高度、关节形变和足部工作空间，并分析了六足机器人越障高度。通过理论计算和实验可知，机器人腿部运 动灵活，可跨越高度为 30 mm 的障碍。该研究为气动柔性关节仿生六足机器人的步态规划和控制提供了参考。
Keywords： Hexapod robot； Flexible joint； Pneumatic drive； Working space
0 前言 与轮式和履带式机器人相比，足式机器人采用足
部与地面点接触的方式运动，具有更好的灵活性和机 动性、对复杂地 面 的 适 应 能 力 强 等 特 点［1］。 近 年 来， 足式机器人在农业、军事和地质探测等领域得到进一 步应用，尤其是稳定性好、承载能力高的仿生六足机 器人［2］。美国伊利诺伊州大学 F DELCOMYN 等［3］研 制了一种类似昆虫的仿生六足机器人，该机器人仿照 美洲螳螂外形采用类似螳螂的腿部结构和类生物肌肉 驱动器。韩国海洋系统工程研究部门 H SHIM 等［4］研 制了一种用于水下环境作业的六足机器人，分析了其 在复杂水下环境下的动力学特性。国内哈尔滨工业大 学研制了大尺度重载液压驱动六足机器人，研究了腿 长比例对步行速度和关节速度的影响，并提出一种减 小足地接触冲击的足端轨迹规划方法［5－6］。文献 ［7］
中介绍了一种六足步行机器人三自由度腿部机构，该 机构由并联驱动机构和行走机构组成，既具有并联机 构的特点，又 具 有 很 好 的 防 护 性。 燕 山 大 学 荣 誉 等 人［8－9］将并联机构用于六足机器人腿部结构，并对该 机构进行了静力学和运动学分析，建立了位置逆解模 型与速度映射方程。
腿部作为机器人的主要执行机构，合理的结构设 计是机器人稳定行走的关键，国内外学者研制的足式 机器人的腿部结构多采用分段刚性结构，缺乏类似生 物肌肉的柔顺性和灵活性。而气动柔性关节在柔性、 运动和驱动等方面与生物肌肉相似，适于作为机器人 的腿部结构。本文作者采用气动空间柔性关节作为机 器人的腿部关节，针对机器人越障设计了腿部抬升机 构，建立了抬升高度和步距模型，并采用三维运动捕 捉系统进行了腿部的运动学实验。
ZHAO Yunwei，WU Zhicong，LIU Xiaomin，et al． Leg Design and Motion Experiment of Pneumatic Hexapod Bionic Ｒobot［J］．Machine Tool ＆ Hydraulic，2019，47（ 4） ： 67－71．
Abstract： To improve the flexibility of the pneumatic hexapod robot，the legs of hexapod robot were driven by tri-muscle pneumatic space bending flex joints． The leg was equipped with lifting mechanism，which could change the lifting height of the leg and adjust the height of the center of gravity of the robot． The lifting height and step distance model of robot leg were built． 3D motion capture system was used to acquire the lifting height of robot leg，joint deformation and foot working space，and the obstacle crossing height of the hexapod robot was analyzed． The calculation and experiments show that the motions of legs are flexible and the robot can pass through the barrier with 30 mm height． The achieved results provide references to the gait planning and control．