哺乳动物的运动是以骨为杠杆，关节为枢纽，肌肉收缩为动力来完成的。物竞天择，适者生存，由于生存环境不同，动物的四肢也向着各种不同的类型演化，如图1-102所示。特别是哺乳动物中的灵长目，发展到猴和猿的阶段，已能站立起来走路，前肢已演化为手，原来走路的功能相对地消失了。
图1-102 不同动物的腿和足部形态
美国学者Michael Mattesi将哺乳动物分为跖行动物、趾行动物、蹄行动物类，并基于人类的解剖结构形象地画出了三类动物的运动形态原理图（见图1-103）[121-122]。
跖行是指用脚板触地行走，缺少弹力，所以跑不快，如奔跑速度较慢的熊类和猿猴类动物；趾行是指利用趾部站立行走[123]。这类动物前肢的掌部和腕部，后肢的趾部和跟部永远是离地的，都以善跑出名，如虎、豹、狗等爪类的动物；蹄行是指利用指尖或趾甲来行动，四肢的指甲和趾甲不断扩大，逐渐退化成坚硬的“蹄”，如牛、羊、马等。
图1-103 跖行、趾行、蹄行示意图
单腿的腿部关节布置形式通常有膝式和肘式两种，如图1-104所示，组合起来则有四种腿型配置，分别是前膝后肘型、前肘后膝型、全肘型和全膝型[124]。通过观察人及部分动物的腿部构造，人们发现，后肢的后膝式关节配置可以极大地增大奔跑过程中脊柱弯曲成弓形时身体的可“压缩”程度，储存更多的弹性势能，进而爆发出更强的奔跑能力，如图1-105所示。
图1-104 膝式和肘式
图1-105 后膝式关节(www.xing528.com)
所以对于四足机器人而言，其腿型的配置，即腿部关节的布置形式也是极为重要的，决定着机器人的运动学和动力学性能。四足机器人的腿型配置形式多样，关系复杂，以每条腿两部分腿节三自由度四足机器人为例，在此再度说明：单腿的腿部关节布置形式通常有膝式和肘式两种，如图1-106所示；组合起来则有四种腿型配置，分别是全肘式、全膝式、前膝后肘式和前肘后膝式，如图1-107所示。
图1-106 膝式和肘式关节
图1-107 四种腿型配置
目前，国内外处于实验阶段和已经加工出样机的四足机器人中，四种腿型配置形式都有，都可以实现基本的行走功能。其中，Big Dog 2008、Little Dog、AIBO、HyQ、Biosbot等采用前肘后膝型；最近两年，Boston Dynamics基于DARPA和US Marine Corps资助最新研制的Alpha Dog Proto和LS3均采用前膝后肘型；BIASM、Big Dog 2005等采用全膝型；TekkenⅡ、Puppy、KOLT等则采用全肘型。
张秀丽、郑浩军等在《A biological inspired quadruped robot：structure and control》一文中研究了四种不同的腿型形态，通过仿真和实验，都可实现行走，但全肘和全膝腿型在某些情况下会出现拖地、侧滑等情况，她们推测可能是由于中心位置（COG）在运动中发生了偏移所致[125]。
从通常意义上讲，不同种类的动物，相当于利用不同的足部着地方式变相地改变了腿部比例，增加关节高度会增强其腿部弹性并延长步幅长度，从而提升该运动形态的一般速度。
自然界中的四足动物种类繁多，腿的构造也是多种多样，为我们提供了数目众多的仿生样本。国内外相关四足机器人研究大多以狗、马等典型四足动物为仿生对象。由于人们对狗已经做过大量解剖学及生物力学研究。因此，选择狗为仿生研究对象，总结其骨骼和肌肉规律，并为设计工作提供指导方向相对简便易行。
由于生物经过长期进化已经适合生存，故在设计初期人们往往可借助动物的体型及行为作为研究的依据[126]。狗像大多数四足动物一样，腿部一般包括髋、膝和踝各个关节。在行走过程中髋关节实现前后的摆动和侧摆调整方向，因此在结构上应该包括两个自由度，膝关节可简化为一个自由度的前后摆动，踝关节可简化为弹性单元，减少冲击力对机体的损伤，腿部的这些自由度帮助狗实现了稳定的行走，使其可以行走、奔跑。以上结构均为四足机器人机械部分的设计提供了参考依据。图1-108所示为狗的几种运动形式。
图1-108 狗的运动形式
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