·54 北京科技大学学报 第34卷 杆中部互相铰接在一起，前端固定，后端通过丝杠螺 当机器人腿部处于摆动状态时，摆动腿可以看作一 母分别连接到左右车身上（丝杠螺母在机构简图中 个三关节串联机构.机器人在步行过程中，腿部不 简化为滑动副)，通过控制丝杠螺母在车身上前后 断在支撑状态和抬起状态之间切换，在同一时刻，若 移动，使得交叉连杆之间的角度随之变化，左右车身 干腿处于支撑状态，另外若干腿处于抬起状态，所以 的距离也会随之增大或减小，即使得机器人的车身 总体来看，该机器人是一个空间串并混联机构 变宽或变窄. 2机器人的运动分析 2.1抬起腿的速度 机器人的抬起腿可以看作一个串联机构，具有 三个转动关节，如图3所示从上到下依次记为关节 1、关节2和关节3，因此对抬起腿进行速度分析时 可以采用串联机构速度分析的方法，先分析腿部的 雅克比矩阵，再通过雅克比矩阵计算腿部各点的 速度. 图1机器人的结构 Fig.1 Structure of the robot 图3腿部的结构图 Fig.3 Structure of the leg 如图4所示，以腿部完全伸展且垂直于车身平 图2机器人的机构简图 面为初始位置，关节2和关节3的平行轴线所构成 Fig.2 Kinematic sketch of the robot 的平面与关节1的轴线的交点记为A,以A点为坐 四条结构相同的机械腿对称安装在机器人车身 标原点，机器人前进方向为y轴正方向，车身平面的 两侧，腿部的设计模仿了四足哺乳动物（狗）的腿部 法向为z轴正方向，建立与车身固连的基坐标系 结构，自上而下分别为胯关节、大腿、膝关节、小腿和 Oxyz和与小腿固连的工件坐标系O'x'y'z'·平面 足.每条腿各有三个转动自由度，其中膝关节具有 yOz和关节2轴线的交点记为B,和关节3轴线的交 两个自由度，两个关节转轴互相垂直，可以实现大腿 点记为C,足端点记为D.在设计腿部结构参数时， 的纵摆和横摆，膝关节具有一个自由度，关节转轴与 把足端位置调整到平面yOz上，这样在初始位置A、 胯关节的第二关节转轴平行，可以实现小腿的纵摆 足部采用可更换模块化设计，可以根据地形地貌选 择不同形状和功能的足端结构，可以使机器人在各 种复杂地形下正常行走，提高机器人的环境适应能 力.图1所示的机器人采用的是轮式足端结构，适 合在平坦的地面上行走，还可以采用从动式轮滑的 50 方式前进，增加机器人的移动速度和运动效率。 从机构学上分析，该机器人为一个空间串并混 D 联机构.当机器人的腿部处于支撑状态时，支撑腿 (a) 连同车身可以看作一个并联机构，每条支撑腿是该 图4腿部的机构简图 并联机构的一条支链，车身是该并联机构的动平台： Fig.4 Kinematic sketch of the leg北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 杆中部互相铰接在一起，前端固定，后端通过丝杠螺 母分别连接到左右车身上( 丝杠螺母在机构简图中 简化为滑动副) ，通过控制丝杠螺母在车身上前后 移动，使得交叉连杆之间的角度随之变化，左右车身 的距离也会随之增大或减小，即使得机器人的车身 变宽或变窄． 图 1 机器人的结构 Fig． 1 Structure of the robot 图 2 机器人的机构简图 Fig． 2 Kinematic sketch of the robot 四条结构相同的机械腿对称安装在机器人车身 两侧，腿部的设计模仿了四足哺乳动物( 狗) 的腿部 结构，自上而下分别为胯关节、大腿、膝关节、小腿和 足． 每条腿各有三个转动自由度，其中膝关节具有 两个自由度，两个关节转轴互相垂直，可以实现大腿 的纵摆和横摆，膝关节具有一个自由度，关节转轴与 胯关节的第二关节转轴平行，可以实现小腿的纵摆． 足部采用可更换模块化设计，可以根据地形地貌选 择不同形状和功能的足端结构，可以使机器人在各 种复杂地形下正常行走，提高机器人的环境适应能 力． 图 1 所示的机器人采用的是轮式足端结构，适 合在平坦的地面上行走，还可以采用从动式轮滑的 方式前进，增加机器人的移动速度和运动效率． 从机构学上分析，该机器人为一个空间串并混 联机构． 当机器人的腿部处于支撑状态时，支撑腿 连同车身可以看作一个并联机构，每条支撑腿是该 并联机构的一条支链，车身是该并联机构的动平台; 当机器人腿部处于摆动状态时，摆动腿可以看作一 个三关节串联机构． 机器人在步行过程中，腿部不 断在支撑状态和抬起状态之间切换，在同一时刻，若 干腿处于支撑状态，另外若干腿处于抬起状态，所以 总体来看，该机器人是一个空间串并混联机构． 2 机器人的运动分析 2. 1 抬起腿的速度 机器人的抬起腿可以看作一个串联机构，具有 三个转动关节，如图 3 所示从上到下依次记为关节 1、关节 2 和关节 3，因此对抬起腿进行速度分析时 可以采用串联机构速度分析的方法，先分析腿部的 雅克比矩阵，再通过雅克比矩阵计算腿部各点的 速度． 图 3 腿部的结构图 Fig． 3 Structure of the leg 图 4 腿部的机构简图 Fig． 4 Kinematic sketch of the leg 如图 4 所示，以腿部完全伸展且垂直于车身平 面为初始位置，关节 2 和关节 3 的平行轴线所构成 的平面与关节 1 的轴线的交点记为 A，以 A 点为坐 标原点，机器人前进方向为 y 轴正方向，车身平面的 法向为 z 轴正方向，建立与车身固连的基坐标系 Oxyz 和与小腿固连的工件坐标系 O' x' y' z'． 平面 yOz 和关节 2 轴线的交点记为 B，和关节 3 轴线的交 点记为 C，足端点记为 D． 在设计腿部结构参数时， 把足端位置调整到平面 yOz 上，这样在初始位置 A、 ·54·