三自由度的腿部结构可以比二自由度的腿部结构实现更为丰富的步态动作，而这三个自由度同样可以采用简单的舵机进行驱动。为了提高仿蛛机器人的整体运动性能，本书采用三自由度的腿部结构形式来设计仿蛛机器人。图2-16所示为仿蛛机器人腿部结构的三维模型，与机身连接的两个舵机采用一体设计，另一个关节舵机安装在腿部末端。
图2-15 二自由度的机器人腿部结构
图2-16 三自由度的机器人腿部结构
通过对国内外多足仿生机器人的分析与研究，以及长期对蜘蛛的身体结构和行走方式的观察，对仿蛛机器人进行了细致的机械结构设计[45]。在仿蛛机器人的整体结构中，躯体结构和腿部结构是最重要的组成部分。机器人足的数目较多时适合重载和慢速运动，而足的数目较少时其运动更加灵活，控制也更加方便。研究发现，步行机器人足数的选择主要考虑的因素如下：行走的稳定性、工作的节能性、功能的冗余性（留出一些资源以备不时之需）、控制的方便性、步态的丰富性等[46]。因此，腿的布置方式是仿蛛机器人整个机械结构设计必须面对的主要问题。
自然界中蜘蛛的身体分为两大部分，包括头胸部（前体）和腹部（后体）[47]。头胸部含有两对副肢，第一对为螯肢，有毒腺开口；第二对为须肢，用以夹持食物及作感觉器官。但在雄性成蛛体上，须肢末节膨大，变为传送精子的交接器。步足共有4对，在动物学上分别称之为基节、转节、腿节、膝节、胫节、后跗节、跗节和跗端节（上具爪）。蜘蛛的膝部长有肌肉，它的功能是使腿得以弯曲，但是不能反方向动作。
图2-17 蜘蛛的身体结构(www.xing528.com)
由图2-17可见，蜘蛛有八条腿，只不过后部的两条腿相比起来有些孱弱，在运动中的贡献并不大，因此，为了适当降低仿蛛机器人的研制难度，特地将机器人的腿数简化为六条，之所以还称其为仿蛛机器人，主要是其运动形式和工作特点仍然与蜘蛛相似。
在仿蛛机器人步行运动过程中，将其拥有的六条腿分为2组，把躯体一侧的前足、后足及另一侧的中足分为一组，其余的三条腿分成另外一组，并对机器人腿部的结构和功能进行适度简化，每条腿具有三个自由度。在仿蛛机器人行走过程中，一组腿抬起，另一组腿着地，在摆腿的过程中实现机器人的前行或者转弯。仿蛛机器人在正常行走情况下，假设各支撑腿与地面之间不产生滑动，将其简化为点接触，可以将其当做机构学上的球面副，具有三个自由度，再加上剩余的三个关节，总共有6个自由度。假设机器人任一时刻处于支撑状态的腿的条数为n，此时机器人具有n个并联机构组成，其自由度计算如下：
其中，p——运动副数目，p=4n；
fi——第i个运动副所具有的自由度数目，fi=1（i=1～3n），fi=3（i=3n+1～4n）；
经研究发现，机器人腿部机构设计的基本要求主要有以下几点：一是应当具有较强的承载能力。在行走过程中，机器人的质量由各条腿交替进行支撑，并在负重状态下实现机器人机体向前的运动，因此机器人的各条腿要具备较强的承载能力；二是运动要灵活，机器人不仅能够实现直线行走和平面运动，还要能够实现灵活的转向，要实现这种功能，腿机构的自由度应不少于3[48]。但从制造工艺的要求来看，仿蛛机器人的腿部机构又不能过于复杂，杆件过多会导致结构庞大、传动困难。因此，虽然以生物蜘蛛的腿部结构为仿生基础，但对仿蛛机器人的腿部结构必须进行一定的简化，这样不仅可以精简机器人的腿部结构，而且可提高其可靠性、稳定性、鲁棒性。最后确定的仿蛛机器人腿部结构如图2-18所示。
图2-18 仿蛛机器人的腿部结构
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