仿生四足机器人的设计与运动步态分析

□麦杨杰

□袁泓博

□郭建

□庞晓文

华南理工大学广州学院机械工程学院广州510800

摘要:基于四足生物的身体和运动形态，设计了仿生四足机器人。介绍了这一仿生四足机器人的 结构，并对腿部结构进行了分析。同时进行了包括直线行走和定点转弯在内的运动步态分析，确认了仿 生四足机器人的运动稳定性。

关键词:仿生机器人设计步态分析中图分类号:TH122

文献标志码:A

文章编号：1000-4998(2019)12-0052-05

Abstract： Based on the body and movement patterns of the quadruped creature, a quadruped biorobot was designed. The structure of this quadruped biorobot was introduced and the leg structure was analyzed. At the same time, the gait analysis including linear walking and fixed-point turning was carried out, and the motion stability of the quadruped biorobot was confirmed.

Key Words ： Biorobot Design Gait Analyses

1研究背景

仿生四足机器人一直是机器人领域的一个研究热

成，如图1所示。根据哺乳动物的躯体形态，机身设计 为矩形结构使仿生四足机器人的腿部结构具有较 大的运动空间，从而减少腿部结构之间的运动干涉。基 于所设计的结构，仿生四足机器人具有响应迅速、结构 简单、动作灵活等优点。

图2所示为仿生四足机器人的腿部结构。腿部结 构主要基于四足哺乳动物骨骼结构来设计，采用三个 双轴舵机来模仿四足哺乳动物的腰关节、髋关节和膝 关节

。一

点，现阶段具有代表性的四足机器人有美国波士顿动 力公司的大狗机器人和韩国工业技术研究院与罗特姆 公司研制的液压驱动四足机器人pi。四足机器人承载 能力强、稳定性高，能够很好地适应各种复杂地形 由于四足机器人的结构比较复杂，用传统的机械试验 方法来研究和设计，周期长，成本髙。

按照仿生的基本思想，笔者基于四足生物的身体 形态和运动形态，设计仿生四足机器人每条腿有三个 自由度，整个仿生四足机器人一共有12个自由度，使 仿生四足机器人可以拥有更丰富的行走步态，在整个 结构上充分达到仿生效果。同时，在小腿处安装减振 部件弹簧，使仿生四足机器人具有更好的缓冲性能，提 高仿生四足机器人的稳定性。通过ADAMS动力学软件 对仿生四足机器人三维模型进行运动学和动力学仿 真'在仿真过程中对数据进行采集分析，确认影响仿 生四足机器人动态稳定性的因素，对影响因素及时进 行处理，为仿生四足机器人样机的制作提供可靠技术 依据，缩短仿生四足机器人研发周期，降低研发成本。

号舵机的固定端与机身连接

，一

号舵机的输出

端与一号舵机支架的长端连接。二号舵机的固定端与 一号舵机支架的短端连接，二号舵机的输出端与二号 舵机支架的长端连接。三号舵机的固定端与二号舵机 支架的短端连接，三号舵机的输出端与三号舵机支架 的长端连接。三号舵机支架的短端与小腿连接，小腿由 套筒、弹簧和足部组成。

2结构设计

仿生四足机器人主要由机身和四组腿部结构组*

*广东省大学生科技创新培育专项(编号:pdjh2019M)637);

广东省大学生创新创业训练项目(编号:52JY 190503)收稿日期:2019年7月

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机械制造总第6期

3腿部结构分析

关节坐标系可以描述仿生四足机器人每个关 节的运动。仿生四足机器人腿部结构的关节坐标系符 合右手定则，右手拇指、食指和中指依次代表关节坐标 系的Z轴、;f轴和F轴。腿部关节坐标系如图3所示， 各个关节坐标系的Z轴均为对应关节的旋转轴，Z,轴 方向和Z3轴方向相同，Z2轴方向与Z,轴、Z3轴方向垂 直[7_8]。关节坐标系的y轴落在腿部关节之间的连杆 上，且方向指向下一个关节，并与a：轴方向垂直。通过 改变一号舵机上下摆动的角度，控制仿生四足机器人 的腰关节，实现仿生四足机器人腿部的抬起和放下。通 过改变二号舵机左右摆动的角度，控制仿生四足机器 人的髋关节，完成仿生四足机器人的左右移动。通过改 变三号舵机上下摆动的角度，控制仿生四足机器人的 膝关节，实现仿生四足机器人足部的踢腿动作，使仿生 四足机器人可以通过改变腿部的动作形态来实现在各 种复杂地形上的行走。

仿生四足机器人前 后腿步态运动分别如图 4、图5所示，前后腿部结 构中各有三根连杆Zm、L2、

l

3,依次代表大腿、髋部和

小腿，图中的黑点代表腰 关节、髋关节和膝关节。由图4可知，通过前腿的 膝关节向内侧摆动，使小 腿内收，腰关节向外侧摆 动，得到仿生四足机器人 足部离地的最大高度办，以及相应的移动步长。随 后膝关节向外侧摆动，确 定足部的着地位置，腰关 节和膝关节恢复至初始

机械制造总第6期状态的角度，完成一个周期的步态运动。由图5可知， 后腿的步态运动与前腿相反，通过后腿的腰关节向内 侧摆动，得到相应的移动步长，膝关节向内侧摆动，使 小腿内收，得到仿生四足机器人足部离地的最大高度 A。随后腰关节和膝关节恢复至初始状态的角度，完成 一个周期的步态运动。由分析可知，仿生四足机器人的 步长由腰关节决定，足部离地的最大高度由膝关节决 定。

0,

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4运动步态分析与仿真

4.1 直线行走

仿生四足机器人直线行走采用对角步态，因为对 角步态是四足动物普遍使用的一种行走步态™。仿生 四足机器人在行走过程中，处于对角线上的两条腿为 一组对角腿，四条腿可以分为两组对角腿，左前腿和右 后腿为A组对角腿，左后腿和右前腿为B组对角腿。 这两组对角腿的关节摆动角度具有固定的相位关系， 可以分为支撑相和摆动相。仿生四足机器人对角步态 运动机理如图6所示，白色方块代表支撑相腿部着地， 黑色方块代表摆动相腿部抬腿，T为步态周期。

采用SolidWorks软件建立仿生四足机器人模型， 导入ADAMS仿真软件，添加相关的运动约束和接触 力，设定相关参数，进行虚拟样机的步态仿真[1«。如图 7所示，仿生四足机器人在0.25 S时，A组对角腿为当 前步态的支撑相，B组对角腿为当前步态的摆动相，机 身质心向前移动1/4步态周期的位移。在0.5 S时，A 组对角腿为当前步态的摆动相，B组对角腿为当前步

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态的支撑相，机身质心再向前移动1/4步态周期的位 移。在0.75 s和1 s时，对角腿的相位关系分别与0.25 s和0.5 s时相同，从而完成一个步态周期的直线行 走。

通过仿真获得的驱动函数添加至每条腿的关节 上，并进一步确定每条腿在直线行走步态时每个舵机 的活动角度[11],得出舵机活动角度变化曲线，如图8〜 图11所示，从而判断仿生四足机器人直线行走步态的 正确性。

在图8、图9中，左前腿和右后腿的一号舵机在5 s时活动角度均为0.488 7°,二号舵机角度没有变化， 三号舵机的活动角度均为1.452°。

在图10、图11中，左后腿和右前腿的一号舵机在 5 s时活动角度均为1.082°，二号舵机角度没有变化， 三号舵机的活动角度均为1.431°。仿生四足机器人通 过一号舵机和三号舵机循环交替作为支撑相与摆动 相，实现直线行走步态。在直线行走的过程中，整机机 身的质心位移随足部的前进位移和抬起高度变化而变 化。

左前腿的足部位移和抬起高度变化曲线分别如图 12、图13所示。1 s时左前腿足部位移为-494.0 mm，足 部抬起高度为67.07 mm，负号代表位移方向与参考 方向相反。

由仿生四足机器人各关节舵机活动角度的变化和 足部位移及抬起高度的变化，可以判断仿生四足机器

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人仿真的直线行走步态与实际行走步态相符合。但是， 根据关节舵机活动角度曲线可知，关节舵机在活动时 有抖动现象发生。4.2 定点转弯

转弯运动是仿生四足机器人实现自主移动和避开 障碍物的重要环节，转弯可以分为弯道转弯和定点转 弯两种。相比于弯道转弯，定点转弯具有灵活性高、周 期短的优点。笔者设计的仿生四足机器人采用定点转

弯，分四个阶段。第一阶段为左前腿的膝关节向内侧摆 动，腰关节向外侧摆动，此时机身质心向左侧偏移。第 二阶段为左前腿的髋关节向左侧摆动，调整机身向左 转动15°，确定足部的着地位置。第三阶段为右前腿的

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▲图8直线行走左前腿 ▲图9直线行走右后腿 舵机活动角度

舵机活动角度

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三号蛇机

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▲图10直线行走左后腿

▲图11直线行走右前腿

舵机活动角度舵机活动角度

机械制造总第6期

0 0.5 1.0

时间/s

▲图12直线行走左前腿足部位移变化曲线

0

0.5 1.0

时间/s

▲图13直线行走左前腿足部抬起高度变化曲线

膝关节向内侧摆动，腰关节向外侧摆动，然后髋关节向 左侧摆动，使机身转动15°，调整足部的着地位置。第 四阶段为调整左前腿和右前腿各关节的角度，使机身 质心回到初始位置。

仿生四足机器人定点转弯过程中，其俯视图如图 14所示。

仿生四足机器人在向左转弯15°的过程中，通过 左右前腿各关节舵机活动角度的变化来调整机身的前 进方向，为保持整机质心位置不变，左右后腿各关节的 舵机活动角度相对保持不变，起到辅助转弯的功能。定 点转弯步态时仿生四足机器人每条腿的舵机活动角度 变化曲线如图15〜图17所示。由图15〜图17可知，左 前腿的一号舵机和二号舵机在30 s时角度没有变化， 三号舵机活动角度为-0.610 9°，负号代表活动角度方 向与参考方向相反。右前腿二号舵机和三号舵机在 30 s时角度没有变化，一号舵机活动角度为0.174 5°。

(b)转弯15°状态

▲图14仿生四足机器人定点转弯过程

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三号蛇机

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I图15定点转弯左前腿

▲图16定点转弯右前腿

舵机活动角度

舵机活动角度

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▲图17定点转弯左右后腿各舵机活动角度

左后腿和右后腿舵机的活动角度没有变化。

仿生四足机器人整机质心位移变化曲线如图 18所示。由图18可知，整机质心在5 3时尤轴位移为 -273.2 mm,F 轴位移为-9.167 mm，Z轴位移为 32.12 mm。 通过仿生四足机器人各关节舵机活动角度的变化和整 机质心X轴、F轴、Z轴位移的变化，可以分析并确认， 仿生四足机器人仿真时的整机质心与实际转弯时的质 心存在一■定偏差。

5结束语

笔者以四足动物为原型，结合仿生学设计了仿生 四足机器人的整体结构，在小腿处设置弹簧，使足部受 力时能有效减振。应用SolidWorks软件和ADAMS软 件进行建模及仿真分析，验证仿生四足机器人设计的 可靠性，并通过步态规划仿真来分析影响运动稳定性 的因素。结果表明，所设计的仿生四足机器人在规划步 态下能够平稳地进行步态运动，并且可以快速完成运

动步态的切换。

(下转第114页）

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