浅谈连杆行走机构

话说近几年足类行走机器人真是大热之中，但谁都明白，对于行走机器人的真正有计划的研究早在几十年前就已经在实验室中悄然展开，否则又怎会有近几年所谓的技术“大跃进”。

就笔者的经历来看，引爆足类机器人研发风潮的莫过于波士顿动力旗下的“大狗”四足机器人，其在2012年被展向世人后，科技界无不惊叹于它的动态平衡能力，这得益于其仿生学上的多年研究。在其之前，有不少机器人行走缓慢，平衡能力差，即便是早已享誉世界的日本本田“阿西莫”双足机器人，在速度与平衡性上都还是相对弱于前者，当然，双足机器人在机械平衡性上先天就比四足机器要差一些。在它们之后又有“阿特拉斯”双足机器人的惊世后空翻，“猎豹”的奋起一跃等等机器人项目的曝光，当然这些都已经是后话了，它们都为该领域的研究推波助澜。

阿西莫的成长

早期阿特拉斯身穿防化服

由于现代微电子技术，机械制造技术的发展，以上提到的这些行走机器人大多采取每到一处机械关节就安装一个动力源（电机，液压，丝杆，齿轮齿带等等）的做法，以获取更大的自由度来模仿动物的步态，然而这样的设计就需要更强的程序算法配合，以模拟出抬腿放腿等动作。为了实现这些动作，它们当中的很多型号需要电机做反复的正反运动，若没有减速运动，理论上减速时间为零，机械将面临刚性冲击，力量将无限大。再加上其自由度较大，如果受到外部不可抗拒的力量干扰，其步态可能会受到极大的改变。

典型现代四足机器

以侧面为观察面

其自由度i=3*2-2*2=2

如此说来，那些看起来非常古板的纯机械模拟步态行走机构，虽然自由度小，步态方式单一，但只要满足的了需求，其稳定性一定是非常高的。这类行走机构大多只需一个原动机，并且无需正反转即可保证运转，这样对电机的损害也相对较小——

（本文讨论二维平面类）

1.平行四边形四杆机构

是不是觉得似曾相识，无限多个连杆加在一起，就成了伟大的发明——轮子。平行四杆机构缺点显而易见，颠簸性还是挺大的。

2.切比雪夫连杆机构

根据公式i=3n-2m

(n为活动构件数目，m为低副数目)

可得自由度i=1

切比雪夫连杆机构被广泛运用在机器人步态模拟上，从动图上也能看出，它的轨迹底部较为平稳，步态方式非常像四足动物，收腿动作有急回特性。根据下图WORKING MODEL仿真分析可得，在X轴上，也能看出它的急回特点。

3.Jansen Walker连杆机构

该机构就是当初非常著名的海滩怪兽的核心基础机构。该机构由荷兰工艺家Theo Jansen创造，兼具工学和美学特征，拥有急回特性，其设计的目的之一就是要达到较高的平稳性，行走姿态优美。他造出的海滩怪兽由风力驱动。现已被广泛用于机器人步态仿真。

实际轨迹与切比雪夫机构类似

但看起来更流畅优美，原动件在同步控制多足

4.克兰连杆机构

克兰连杆机构是一个六竿机构，相对于四杆的切比雪夫机构有着更好的受力性能。其一般被用作仿生蜘蛛，拥有急回特性。

由于连杆的强大，其几乎可以模拟出所有数学上的曲线，在行走机构方面自然不仅仅只有这些，以上所述都为该领域的佼佼者。当然，依然有着很多的机构形式等待着我们去挖掘探索。