本书中仿生结构的设计流程如图3-1所示。首先，对第2章中实验鼠的骨骼、肌肉模型进行进一步简化，保证仿生性的同时降低设计难度；其次，根据简化的模型规划机器鼠相应的自由度；再次，合理设计各自由度的实现方式与机构原理，并做必要的受力分析，用于电机选型；最后，综合应用各种技术手段，建立机器人三维模型。
图3-1 仿生结构设计流程
通过第2章中图2-3对仿生目标鼠骨骼-肌肉生理结构进行的分析，我们知道了实验鼠整体尺寸与各个部位比例参数。因此，在机器鼠结构设计中，各个部位的尺寸将均参照该比例进行设计。同时，根据实验鼠骨骼肌肉模型，与运动相关的部位主要有头颈部、腰部、臀部以及前、后肢等。根据功能性和可行性原则，考虑到现有尺度下的技术水平，我们将仿生机器鼠的结构设计分为轮式与足式两种，分别用于模仿实验鼠的不同运动。
轮式机器鼠的结构采用抛弃后肢肢体的结构形式，将后肢运动转化为两个自由度的轮式转动[5，6]。该种设计结构相较于足式机器鼠而言具有较快的移动速度，从而便于其与实验鼠的交互[7-9]。由于后肢的轮式结构已经能够保证机器鼠的运动速度，故前肢肢体结构将采用类鼠前肢的结构形式，增强轮式机器鼠与实验鼠的相似性。在规划机器鼠腰部自由度的过程中，由于实验鼠腰部由30个椎骨组成，其自由度之多给仿生设计带来不小的挑战，因此需要做出适当的简化。图3-2所示为实验鼠在进行攀爬和理毛运动时的X射线图片。经过分析我们发现，若将实验鼠的腰部分为腰前和腰后两个部分，并分别在两个部分添加一个俯仰方向和一个偏航方向的自由度，则其简化后的躯体将能够近似地模拟实验鼠攀爬（图3-2（a））和理毛（图3-2（b））动作。因此，关于机器鼠的腰部，只考虑实现实验鼠的俯仰和偏航两个方向上的动作，并且忽略前肢、后肢对动作的影响，机器鼠躯体的复杂动作可由俯仰和偏航两个方向的动作耦合而成[10]。由此，将轮式机器鼠的整体自由度规划为如图3-3所示的11个主动自由度。其中，头部两个自由度，腰前部与腰后部各两个自由度。此外，为了模仿实验鼠胯部在实验鼠攀爬时的作用，增强机器鼠的俯仰能力，在机器鼠臀部额外地设置了一个俯仰方向的自由度。轮式机器鼠的臀部有两个车轮，机器鼠的两个前肢各设计了一个主动自由度和两个被动自由度，用于模仿实验鼠的前肢运动[11，12]。
图3-2 实验鼠俯仰与偏航运动X射线图像与分析[5]（见彩插）
（a）攀爬运动；（b）理毛运动
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图3-3 轮式机器鼠自由度配置
足式机器鼠的设计采用保留后肢肢体的结构。该结构相较于轮式机器鼠有优秀的越障能力[13，14]，可用于研究实验鼠的运动步态与交互等方面[15]。由于采用四足结构，因此将利用实验鼠X射线图片着重分析实验鼠前肢与后肢的动作。根据第2章可知，实验鼠四肢的3个关节从上到下依次为肩/髋关节、肘/膝关节和腕/踝关节。各个关节的自由度数依次为3、2、2。类似地，现有条件下很难将如此多的自由度集成到足式机器鼠上，而且不影响其体态大小，因此我们需要对实验鼠四肢的自由度进行合理简化。在图3-4（a）和（b）中，分别标记了实验鼠前肢与后肢的运动，并将前肢与后肢简化为三段串联的连杆，各关节处仅保留一个屈伸方向自由度，用于机器鼠的步行运动。为了更好地实现机器鼠的转弯运动，在分析实验鼠转弯X射线躯干图像（图3-4（c））的基础上，在机器鼠腰部添加了两个偏航方向的自由度，用于辅助机器鼠转弯，同时保持机器鼠头部两个自由度，从而保证在运动和交互过程中其头部的灵活性。
图3-4 实验鼠四肢运动X射线图像与分析（见彩插）
（a）前肢；（b）后肢；（c）转弯运动时的躯干
足式机器鼠的整体自由度配置如图3-5所示，其中腕/踝关节的自由度设计为被动自由度，在降低驱动器要求的同时，可以保证一定的抗冲击能力。
图3-5 足式机器鼠的整体自由度配置
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