本文由刘耘彤、李晓丹和王晓磊共同撰写，发表于《journal of mechanical transmission》2023年第47卷第8期。研究团队来自辽宁工业大学机械工程与自动化学院，主要研究方向为机器人科学与技术。本文针对四足机器人腿部机构的设计与运动学分析进行了深入研究，提出了一种新型的并联腿部机构，并通过仿真验证了其运动学模型的正确性。

研究背景与动机

近年来，随着机器人技术的快速发展，四足机器人因其优异的运动性能和强大的环境适应能力，逐渐成为研究热点。四足机器人能够在复杂地形中灵活移动，广泛应用于救援、勘探、军事等领域。然而，传统的四足机器人腿部机构多采用3R型串联结构，虽然具有结构简单、控制容易等优点，但其承载能力较弱，限制了其在重载任务中的应用。为了解决这一问题，本文提出了一种新型的2R1T（2个旋转自由度和1个平移自由度）并联腿部机构，旨在提高四足机器人的承载能力和运动性能。

研究方法与流程

本文的研究流程主要包括以下几个步骤：

1. 机构设计与改进：首先，针对传统3R型串联腿部机构承载能力不足的问题，提出了两种2R1T并联腿部机构设计方案。这两种机构通过将直线驱动器与转轴连接，形成平面并联结构，并在小腿部位增加动力臂长度，以提高驱动能力。

2. 虚拟样机搭建与仿真：利用Adams软件搭建了两种腿部机构的虚拟样机，并在足端施加相同的负载，对比了两种机构中各直线驱动器的受力情况。通过仿真分析，优选出了驱动能力更强的腿部机构2，并完成了整体样机的设计。

3. 运动学分析：建立了腿部机构的坐标系，并通过矢量法对腿部结构进行了运动学分析。推导了腿部机构的位置反解方程，即已知足端位置，求解各直线驱动器的杆长。通过Matlab编程计算了理论值，并与Adams仿真结果进行对比，验证了运动学模型的正确性。

4. 仿真验证：通过Adams软件对优选出的腿部机构2进行了运动学仿真，测量了各直线驱动器的杆长随时间的变化曲线，并与理论值进行了对比。结果表明，理论值与仿真值的误差控制在0.25毫米以内，验证了运动学分析的正确性。

主要研究结果

1. 机构设计与自由度分析：本文提出的两种2R1T并联腿部机构均满足3自由度的运动要求，能够实现绕x轴、y轴的转动以及沿x轴的移动。通过空间机构自由度计算公式，验证了两种机构的自由度数量均为3。

2. 机构选型：在承受相同负载的情况下，对比了两种机构中各直线驱动器的受力情况。结果显示，腿部机构2的驱动器2在最大受力处比腿部机构1高出400N以上，表明腿部机构2具有更强的驱动能力，因此被选为最终的腿部机构设计方案。

3. 运动学分析验证：通过矢量法推导了腿部机构的位置反解方程，并通过Matlab编程计算了理论值。与Adams仿真结果对比，误差控制在0.25毫米以内，验证了运动学模型的正确性。

研究意义与价值

本文的研究为四足机器人腿部机构的设计提供了新的思路，尤其是在提高承载能力方面具有重要意义。通过引入并联机构，显著提升了四足机器人的驱动能力和运动性能，为其在复杂环境中的应用提供了技术支持。此外，本文提出的运动学分析方法为后续的动力学分析、控制策略设计等研究奠定了基础。

研究亮点

1. 新型并联腿部机构设计：本文提出的2R1T并联腿部机构在结构上进行了创新，显著提高了四足机器人的承载能力。
2. 运动学分析方法：通过矢量法推导了腿部机构的位置反解方程，并通过仿真验证了其正确性，为后续研究提供了可靠的理论基础。
3. 仿真与理论结合：本文通过Adams仿真与Matlab理论计算的结合，验证了运动学模型的准确性，展示了理论与实验相结合的研究方法。

结论

本文针对四足机器人3R型串联腿部机构承载能力不足的问题，提出了两种2R1T并联腿部机构设计方案，并通过仿真验证了其运动学模型的正确性。研究结果表明，腿部机构2具有更强的驱动能力，适合作为四足机器人的腿部机构。本文的研究为四足机器人的进一步发展提供了新的思路，并为后续的动力学分析和控制策略设计奠定了基础。