作者：王子安 贺家豪 姜智琦 窦鹏鹏

单位：沈阳航空航天大学

指导老师：王路平 王琳霖

      本项目将平面并联四杆机构应用到四足步行机器人腿部结构的基础上，利用探索者机器人组建机构实现契贝谢夫单自由度四足机器人的运动。本项目的研究意义在于：将平面并联四杆机构应用在四足步行机构的腿部机构，提高其跨步能力与柔性；将四足机器人的整个控制系统密封装配在机体中，实现契贝谢夫四足机器人的运动。

      本项目的主要工作有：在对传统步行机构总结分析的基础上，设计契贝谢夫四足机器人的各杆长比例及相应尺寸，实现所需的连杆曲线特性；依据设计机构模型，利用探索者机器人组建步行机器人的实体模型实现运动。

      关键词：契比谢夫 四杆机构 仿生机器人

1. 引言

      随着机器人技术的不断发展，步行机器人的应用领域越来越广。从实际的观点出发，步行运动确有轮式机械无法比拟的独到之处：它利用孤立的地面支撑而不是轮式机械所需的连续地面支撑；可在不平地域以稳定方式步行或以非接触方式规避障碍；可全方位运动而无损地面；可用跨步方式跨越粗糙地面或跳跃障碍；可攀登阶梯，迈过溪流，跋涉沼泽等等。

      步行机器人集仿生学、机械工学、控制工程学等多种学科为一体，它是一个最为理想的研究实体，是一个典型的多变量、非线性和变结构的复杂动力学系统，且与环境交互，其变姿态结构的不稳定性及产生稳定步行运动所必须解决的动态平衡问题，对于控制理论及动力学问题的研究都具有很大的挑战。正是因为步行机器人具有其他移动机器人所不具有的优点，也是目前任何一种机械的运动方式无法与之相比的，正是这个原因，使得步行机器人的研究一直是机器人研究领域的一个热点。

2. 四足机器人的运动设计

2.1 连杆曲线设计

      契贝谢夫四足机器人是利用连杆曲线特性，当一对角足运动处在曲线的直线段时，则着地静止不动，而另一对角足则处在曲线段做迈足动作，从而可实现类似动物的足行运动。连杆曲线如下图所示：

      其中直线段为支撑地面阶段，上弧段为迈步阶段。

2.2 联动机构设计

      契贝谢夫四足机器人由于只有一个原动件，所以四脚的运动需要通过连杆进行传动。为了实现迈步动作，其对角的两足运动状态一致。对于同侧的两脚，本项目利用最为简单的平行四边形机构进行传动。如下图所示：

3. 四足机器人的机构组成及布置

3.1 原动件

      契贝谢夫四足机器人的原动件为一曲柄，可作周转运动。为了便于设计，本项目将原动件安装在机器人四足的左前足位置。

3.2 连杆

      该四足机器人的连杆机构多而复杂，设计过程中最为困难的问题便是连杆的设计，本作品采用将各运动副垫高，使其连接构件不在同一平面的方法来消除干涉问题，虽然结构变复杂了，但这是我们在现有技术和条件下可以实现的最优方案。本项目用CATIA搭建模型确定各脚的比例，具体整体布局和连杆布置如下图所示：

3.3 机架

      机架设计主要需考虑到各机构的安装位置，控制系统的安装及运动中的相互干涉问题。重点在于上述各杆件的安装位置选择，机身侧边开孔位置如下图所示：

4. 四足机器人的控制设计

4.1 初步设计方案

      契贝谢夫四足机器人只有一个原动件，理论上只需一个圆周舵机便可实现前后的迈步动作，但实际操作中由于多为杆传动，实行效率不高，而且一个原动机输出扭矩不高，运动不连续，多会出现卡死现象，所以本作品采用四个周转舵机的方案。

4.2 四舵机设计方案

      契贝谢夫四组机器人在运动时，同侧连架杆周转方向相同，异侧连架杆周转方向相对于机身相同，所以我们需要两个控制通道，通过Y线连接同侧周转舵机，实现同侧周转舵机的同步转动，这样既达到了只有一个舵机时的运动规律，同时又增大了每个周转副处的输出扭矩，使运动更为连续。

4.3 主控芯片选择

      控制器采用ARM7 LPC2132，32位的高性能主控芯片是一款专为智能机器人和小型智能设备设计的多功能控制器，拥有巨大的缓冲区空间和强大的处理功能，可同时控制6路舵机、2路直流电机、4路传感器，并可串联协同工作，非常适合作为智能机器人的主控制器。

5. 四足机器人的功能及创新点

5.1 功能介绍

      本项目通过四个圆周电机的协调实现了该机器人步态的稳定协调性，此四足步行机器人具有响应快、控制精度高，体积和重量小等优点。此机器人可在不规则的环境下行走，设计的机器人可用于野外探测，可以爬越一定角度的坡面，跨越一定宽度的障碍和沟壑。经过适当的改下，在不久的将来会在以下方面发挥重大作用。

      ① 战场的应用：运输、侦查、排雷等。

      ② 危险及特殊环境下的作业：反恐中的排雷、排爆，星球表面的探查，地震引发的灾后搜救，核工业中放射性原料的运输、处理等。

      ③ 人类生活的助手：娱乐、服务、导盲等。

5.2 创新点

      ① 四足机器人抬脚顺序需要遵循前后脚交替的原则，本作品通过最为简单平行四边形机构实现抬脚功能。

      ② 脚丫可活动性，使得四足能在不平坦的地带行走，扩大了该四足机器人的生存空间。

      ③ 在没有很多传感器参与下，只用四个圆周电机完成行走的功能，原理简单，可制作性，可操作性强。

      ④ 拥有6个自由度，灵活性强。

      ⑤ 脚的跨步大可以跨越一定高度的障碍物。

6. 作品展示