仿狗机器人腿部尺寸与结构设计

动物的骨骼在进化过程中为适应复杂环境的需要，端部变得粗大，横截面变得不完全对称，载荷也变得不经过横截面矩心，这些变化都使得其受力状况得到改善。动物骨骼的主要受力形式为扭矩、弯矩、压缩或拉伸，其受力形式对于仿狗机器人的结构设计有着很大的启发作用。

通过对马、骡、狗（见图2-10）等的骨骼系统的细致研究，人们发现，它们腿部三节骨骼的长度基本上呈现0.75∶1∶1的比例关系，并且不同骨骼的形状和运动形式差别很大。例如马的后腿有三块非常重要的骨骼，分别为髋骨、股骨、胫骨，其中髋骨主要连接腿部和躯体，横截面积大，尺寸变化大，有利于其承受重力；股骨常常处于竖直状态，便于承受重力和地面的冲击。为了更好地承受力的作用，股骨的形状进化为圆柱形，并且端部明显膨胀，可以适应关节和受力的需求。

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图2-10　狗的腿部骨骼解剖图

髋关节和膝关节对许多动物来说都极其重要。髋关节起到连接腿部与身体、并确保大腿自由转动的作用；膝关节的转动则带动动物实现前进或后退运动。动物腿部运动灵活这一特点在很大程度上是受益于关节处的球铰链结构，这种结构使动物腿部能够朝任意方向摆动；动物的脚部骨骼大都具有缓冲结构，能够进行伸缩；而动物的脚趾结构能够联动受力，起到缓冲作用。对于机器人而言，球铰链控制较为复杂，在恶劣环境下失效的可能性增大，这时如果将机器人腿部自由度划分为多个单一方向的自由度，就能够实现同样的功能，同时还可使结构设计合理，使用可靠，易于控制。

还需要提及的是，自由度的设定对于机器人设计来说有着极为重要的意义。仿狗机器人能够到达空间的任意位置，并且保持身体高度的不变，称其为Ⅳ级步行。通过研究发现，四足机器人单腿至少有3个自由度才能使得机器人到达任意位置。