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【摘 要】随着社会的进步和科技的发展，木牛流马逐渐的来到我们身边，在今天它变成了各种机器马，并且能够完成越来越多的野外项目，在未来更会成为人们生活的好伙伴。
【关键词】足式机器人；连杆机构；自由度
1.研究现状
四足机器人的探索可以分为早期探索和现代自主机器人研究两个阶段。
中国古代的“木牛流马”以及国外十九世纪由Rygg设计的“机械马”，是人类对足式行走机器的早期探索。Muybridge 在1899年用连续摄影的方法研究动物的行走步态，则是人们研究足式机器人的开端。20世纪60年代，机器人进入了以机械和液压控制实现运动的发展阶段。美国学者Shigley（1960）和Baldwin（1966）都使用凸轮连杆机构设计了机动的步行车。
80年代，随着计算机技术和机器人控制技术的广泛研究和应用，真正进入了具有自主行为的现代足式机器人的广泛研究阶段。
以微型计算机技术广泛应用为标志的现代四足机器人的研究和应用受到世界广泛的关注。现代四足机器人研究最系统和取得研究成果最多的是日本东京工业大学的広濑茂男等领导的広癞·福田机器人研究室（HIROSE·FUKUSHIMA ROBTICS LAB），该实验室从80年代开始四足机的研究，持续研究20多年，共试制成功3个系列、12款四足机器人。发表相关研究论文172篇。其它如美国的MIT，卡耐基梅隆大学，加拿大，德国，法国，新加坡，韩国等国家均有四足机器人样机研制成功。国内也进行了四足机器人的基础研究和试验研究，如吉林工业大学，北京航空航天大学、上海交通大学，哈尔滨工业大学，中国科技大学等单位。
下面介绍的是美国军方公开展示了最新版本的军用机器狗。这条机器狗由波士顿动力公司研制，大名LS3，绰号“阿尔法狗AlphaDog”，是一个四条腿、能自由活动的机器人。身材类似于大丹犬，头部装有一个立体摄像头和一部激光扫描仪。身体内部是一种钢架结构，里面装有一个圆筒形汽油发动机，为“大狗”的水压系统、电脑和惯性测算单元（IMU）提供动力。惯性测算单元是机器狗的重要组成部分，它使用光纤激光陀螺仪和一组加速器跟踪机器狗的运动和位置。这些装置与四条腿一起发挥作用，就可以使“大狗”迈出准确的步伐。它可以在负重400磅（180公斤）的情况下直立行走20英里（32公里），并跟随士兵在崎岖地带作战。
四足机器人研究的代表是日本东京工业大学的広濑？福田机器人研究实验室。从80年开始至今已研制出3个系列12款四足机器人。第一代四足移动机器人KUMO-I外形似长腿蜘蛛，它是世界上第一个具有自主行走的现代足式机器人。随后研制成功世界上第一个能上下爬行楼梯的四足机器人PV-II）。之后研制成功两款NINJA系列爬壁系列机器人和8款TITAN系列以野外探测和挖掘地雷为使用目标的机器人。其中最有代表性的是TITAN系列机器TITAN—VIII。该款机器人的软硬件齐全，功能比较完备，具有多种运动步态选择。在该上机配套先进而完整的专门针对四足移动机器人开发的操作系统VK-I，因而该机器人特别适合于教学研究用。整机售出约50多套给日本的多个大学和研究所及世界很多研究机构作为基础研究和应用研究的平台。其基本参数：每足具有3个自由度，其中大腿关节具有前后转动和上下转动2个自由度，膝关节具有一个上下转动自由度。采用新型的电机驱动和绳传动，质量约40kg，有效负载5～7kg，行走速度决定于负载情况，一般在0.3～0.9m/s之间变化。另一款有特点的机型是90年代研制成功TITAN-Ⅵ 型 ，该步行机采用新型的直动型腿机构，避免了上楼梯过程中腿间的干涉，并采用2段变速驱动机构，对腿的支撑相和摆动相分别进行驱动，能以50mm/s的速度，在倾角为30°～40°楼梯上步行。90年代広濑茂男等研制成功壁面全方位移动系列机器人NINJA-I及NINJA-II，NINJA-I的每条腿由3自由度的平行连杆机构构成，长、宽、高分别为：1800mm，500mm，400mm，质量45kg，各关节轴由12个40w的直流电机驱动，每个脚底的吸盘被分为20个小吸盘，产生大约1500N的吸力，上升速度为48cm/min，横向移动速度为96cm/min.能在壁面及天花板上全方位移动。近年研制成功的典型四足机器人是TITAN-XI。为适应如此复杂的任务，专门研制了更先进的机器人操作控制系统VK-II。截至目前，広濑·福田研究室已研制出第12款机器人TITAN-XI。
另外，日本电气通信大学的木村浩（Hiroshi Kimura）等研制成功很有特点的两个系列四足步行机器人Patrush系列和Tekken系列。二代Patrush-II，用两个微处理机控制，采用瑞士Maxon直流伺服电机驱动，每个关节安装了一个光电码盘，每只脚安装了两个微开关。最具有创新性的成果是采用基于神经振荡子模型CPG（Central Pattern Generator）的控制策略。
1991年，上海交通大学马培荪等研制出JTUWM 系列四足步行机器人。JTUMM—III，以马为仿生对象，每条腿有3个自由度，由直流伺服电机分别驱动各个关节的运动。该机器人采用两级分布式控制系统，脚底装有PVDF测力传感器，利用人工神经网络和模糊算法相结合，采用力和位置混合控制，实现了四足步行机器人JTUMM—III的慢速动态行走，极限步速为1.7km/h。为了提高步行速度，将弹性步行机构应用于该四足步行机器人，产生缓冲和储能效果。
在对现有地面移动机器人结构形式及特点分析的基础上，哈尔滨工业大学提出了一种轮足式四足机器人概念模型HIT-HYBTOR，机器人由四个独立驱动的轮代替了四个足构成具有3个自由度的轮腿机构，其中髋关节具有2个自由度，膝关节具有1个自由度，可以根据环境需求在轮式机器人和足式移动之间切换。该模型结合轮式机器人和足式机器人的优点，根据不同的环境变换轮式运动和足式运动两种运动方式，期望达到良好的运动灵活性和较高的移动速度的统一。
2.自己的设想
在这里我想了一下自己设计足式机器人的一些特点和要求：
（1）实现运动的要求。
（2）承载负载的要求。
（3）机构实现和控制能力的要求。
而腿机构的设计准则是：
（1）腿机构应有2个自由度（假定只在竖直平面内运动），足端具备一个平面的2维工作空间。
（2）具有足够的刚性，且质量尽可能小。
基于以上的要求，我们所设计的机械马是利用直流电机，将电机的转动为马腿的移动，再通过齿轮、带轮等传动机构改变转速，最后通过连杆机构实现转动到直线往复运动的转变。根据机械马的工作原理，大致可以将机械马分成：动力部分、传动部分和工作部分。
基于机构和马腿结构的分析，将机械马的前腿机构创新设计成七连杆机构，后腿部分机构设计为另一七连杆机构。■
【参考文献】
[1]谢进，万朝燕，杜立杰.机械原理[M].高等教育出版社，2010.
[2]王一治.四足機器人研究综述[J].中国科技论文在线.
【关键词】足式机器人；连杆机构；自由度
1.研究现状
四足机器人的探索可以分为早期探索和现代自主机器人研究两个阶段。
中国古代的“木牛流马”以及国外十九世纪由Rygg设计的“机械马”，是人类对足式行走机器的早期探索。Muybridge 在1899年用连续摄影的方法研究动物的行走步态，则是人们研究足式机器人的开端。20世纪60年代，机器人进入了以机械和液压控制实现运动的发展阶段。美国学者Shigley（1960）和Baldwin（1966）都使用凸轮连杆机构设计了机动的步行车。
80年代，随着计算机技术和机器人控制技术的广泛研究和应用，真正进入了具有自主行为的现代足式机器人的广泛研究阶段。
以微型计算机技术广泛应用为标志的现代四足机器人的研究和应用受到世界广泛的关注。现代四足机器人研究最系统和取得研究成果最多的是日本东京工业大学的広濑茂男等领导的広癞·福田机器人研究室（HIROSE·FUKUSHIMA ROBTICS LAB），该实验室从80年代开始四足机的研究，持续研究20多年，共试制成功3个系列、12款四足机器人。发表相关研究论文172篇。其它如美国的MIT，卡耐基梅隆大学，加拿大，德国，法国，新加坡，韩国等国家均有四足机器人样机研制成功。国内也进行了四足机器人的基础研究和试验研究，如吉林工业大学，北京航空航天大学、上海交通大学，哈尔滨工业大学，中国科技大学等单位。
下面介绍的是美国军方公开展示了最新版本的军用机器狗。这条机器狗由波士顿动力公司研制，大名LS3，绰号“阿尔法狗AlphaDog”，是一个四条腿、能自由活动的机器人。身材类似于大丹犬，头部装有一个立体摄像头和一部激光扫描仪。身体内部是一种钢架结构，里面装有一个圆筒形汽油发动机，为“大狗”的水压系统、电脑和惯性测算单元（IMU）提供动力。惯性测算单元是机器狗的重要组成部分，它使用光纤激光陀螺仪和一组加速器跟踪机器狗的运动和位置。这些装置与四条腿一起发挥作用，就可以使“大狗”迈出准确的步伐。它可以在负重400磅（180公斤）的情况下直立行走20英里（32公里），并跟随士兵在崎岖地带作战。
四足机器人研究的代表是日本东京工业大学的広濑？福田机器人研究实验室。从80年开始至今已研制出3个系列12款四足机器人。第一代四足移动机器人KUMO-I外形似长腿蜘蛛，它是世界上第一个具有自主行走的现代足式机器人。随后研制成功世界上第一个能上下爬行楼梯的四足机器人PV-II）。之后研制成功两款NINJA系列爬壁系列机器人和8款TITAN系列以野外探测和挖掘地雷为使用目标的机器人。其中最有代表性的是TITAN系列机器TITAN—VIII。该款机器人的软硬件齐全，功能比较完备，具有多种运动步态选择。在该上机配套先进而完整的专门针对四足移动机器人开发的操作系统VK-I，因而该机器人特别适合于教学研究用。整机售出约50多套给日本的多个大学和研究所及世界很多研究机构作为基础研究和应用研究的平台。其基本参数：每足具有3个自由度，其中大腿关节具有前后转动和上下转动2个自由度，膝关节具有一个上下转动自由度。采用新型的电机驱动和绳传动，质量约40kg，有效负载5～7kg，行走速度决定于负载情况，一般在0.3～0.9m/s之间变化。另一款有特点的机型是90年代研制成功TITAN-Ⅵ 型 ，该步行机采用新型的直动型腿机构，避免了上楼梯过程中腿间的干涉，并采用2段变速驱动机构，对腿的支撑相和摆动相分别进行驱动，能以50mm/s的速度，在倾角为30°～40°楼梯上步行。90年代広濑茂男等研制成功壁面全方位移动系列机器人NINJA-I及NINJA-II，NINJA-I的每条腿由3自由度的平行连杆机构构成，长、宽、高分别为：1800mm，500mm，400mm，质量45kg，各关节轴由12个40w的直流电机驱动，每个脚底的吸盘被分为20个小吸盘，产生大约1500N的吸力，上升速度为48cm/min，横向移动速度为96cm/min.能在壁面及天花板上全方位移动。近年研制成功的典型四足机器人是TITAN-XI。为适应如此复杂的任务，专门研制了更先进的机器人操作控制系统VK-II。截至目前，広濑·福田研究室已研制出第12款机器人TITAN-XI。
另外，日本电气通信大学的木村浩（Hiroshi Kimura）等研制成功很有特点的两个系列四足步行机器人Patrush系列和Tekken系列。二代Patrush-II，用两个微处理机控制，采用瑞士Maxon直流伺服电机驱动，每个关节安装了一个光电码盘，每只脚安装了两个微开关。最具有创新性的成果是采用基于神经振荡子模型CPG（Central Pattern Generator）的控制策略。
1991年，上海交通大学马培荪等研制出JTUWM 系列四足步行机器人。JTUMM—III，以马为仿生对象，每条腿有3个自由度，由直流伺服电机分别驱动各个关节的运动。该机器人采用两级分布式控制系统，脚底装有PVDF测力传感器，利用人工神经网络和模糊算法相结合，采用力和位置混合控制，实现了四足步行机器人JTUMM—III的慢速动态行走，极限步速为1.7km/h。为了提高步行速度，将弹性步行机构应用于该四足步行机器人，产生缓冲和储能效果。
在对现有地面移动机器人结构形式及特点分析的基础上，哈尔滨工业大学提出了一种轮足式四足机器人概念模型HIT-HYBTOR，机器人由四个独立驱动的轮代替了四个足构成具有3个自由度的轮腿机构，其中髋关节具有2个自由度，膝关节具有1个自由度，可以根据环境需求在轮式机器人和足式移动之间切换。该模型结合轮式机器人和足式机器人的优点，根据不同的环境变换轮式运动和足式运动两种运动方式，期望达到良好的运动灵活性和较高的移动速度的统一。
2.自己的设想
在这里我想了一下自己设计足式机器人的一些特点和要求：
（1）实现运动的要求。
（2）承载负载的要求。
（3）机构实现和控制能力的要求。
而腿机构的设计准则是：
（1）腿机构应有2个自由度（假定只在竖直平面内运动），足端具备一个平面的2维工作空间。
（2）具有足够的刚性，且质量尽可能小。
基于以上的要求，我们所设计的机械马是利用直流电机，将电机的转动为马腿的移动，再通过齿轮、带轮等传动机构改变转速，最后通过连杆机构实现转动到直线往复运动的转变。根据机械马的工作原理，大致可以将机械马分成：动力部分、传动部分和工作部分。
基于机构和马腿结构的分析，将机械马的前腿机构创新设计成七连杆机构，后腿部分机构设计为另一七连杆机构。■
【参考文献】
[1]谢进，万朝燕，杜立杰.机械原理[M].高等教育出版社，2010.
[2]王一治.四足機器人研究综述[J].中国科技论文在线.