什么是仿生机器人
“仿生机器人”是指模仿生物、从事生物特点工作的机器人。目前在西方国家，机械宠物十分流行，另外，仿麻雀机器人可以担任环境监测的任务，具有广阔的开发前景。二十一世纪人类将进入老龄化社会，发展“仿人机器人”将弥补年轻劳动力的严重不足，解决老龄化社会的家庭服务和医疗等社会问题，并能开辟新的产业，创造新的就业机会。”
仿生青蛙机器人设计
青蛙跳跃具有爆发性强、距离远的特点，能够轻松越过障碍，并且具有很好的环境适应性。其生物体结构和行为方式合理、灵活、高效。基于对青蛙生物特征和跳跃运动机理的分析，对于复杂的结构进行简化，提出了一种面向跳跃运动的机构模型，并进行仿生青蛙的设计。
1. 研究背景及意义
1.1国外研究水平
加拿大麦吉尔大学分析了柔性机器人的控制算法，模仿动物利用肌肉、腱等弹性储能元素来降低耗能，研制了具有柔性髋关节和腿的单腿跳跃机器人，跳跃速度可达1.25m/s,而驱动功率仅48W。
美国斯担福大学和俄亥俄州大学合作，通过研究各种动物奔跑的运动步态和动力学特性，以动物运动时耗能小，腿部弹性储能和低惯量为目标，研制出了一种机器人。
日本东京工业大学科学家通过分析猫在爬墙过程中，仿造其半身的结构，研制了一种机器猫，其跳跃动作不追求运动中整体达到的高度，而是像猫那样通过四肢的协调动作越过障碍物。
1.2国内研究水平
哈尔滨工业大学通过分析蝗虫起跳的运动原理，对生物模型进行简化，建立了机器人理论模型，并从运动学和动力学进行分析，最终设计了二套分别基于电机和电磁铁驱动的样机，并进行了实验研究。
上海交大模仿人体下肢设计了关节弹性步行机构。他们在机器人的小腿中安置了弹性装置，通过四组并联弹性元件和机器人腿外壳为机架的四连杆机构的复合，使机构产生了缓冲，储能效果。
西北工业大学分析了袋鼠的生物形态和运动机理，提出了具有柔性脚趾的仿生袋鼠机器人机构模型，对机器人着地和腾空的两个阶段进行了运动学及动力学分析，并研究了全跳跃周期关节空间的轨迹规划，为袋鼠机器人的实现，解决其跳跃、弹跳动力等关键技术奠定了理论基础。
1.3常规跳跃机器人
麻省理工学院腿实验室的Raib ert教授于1980年研制了世界上第一个以连续跳跃方式运动的单腿机器人，机器人的运动被限制在一个平面内，腿部装有气缸，作用相当于弹簧，因此它在地面上的运动类似于一个带弹簧的倒立摆角。其基本运动模型如图所示，机构有一个X方向的平移自由度以及足部和躯体之间的旋转自由度e，其跳跃与落地过程经过运动学与动力学分析和计算后，只要按规律外加控制就可保持连续稳定的跳跃运动，M. H. Raib ert专门著书论述了这一模型。此外，很多学者从各个角度对类似机构进行了数学分析与仿真。目前对Raibert跳跃模型的研究集中于如何对这种非完整约束系统进行平衡控制上。
1.4一般青蛙机器人
美国麻省理工学院Raibert教授等人研制了多种仿生步行或爬行机器人。其中有两种可跳跃前进的腿型机器人。一种是二维跳跃机器人Uniroo}42}，其腿部结构类似于袋鼠的后肢，如图所示。机器人共有四个关节，即尾关节、骸关节、膝关节和踩关节，它们分别由四个液压缸驱动并控制实现系统的跳跃及平衡，侧向借助连接在地面上的杆件保持稳定。另一种是三维跳跃机器人3DB1peCl}43,44]，如图1-12所示。其骸关节具有两个自由度，腿部长度由气缸控制。机器人单腿动态平衡控制系统由三部分组成:一部分控制机构的前进速度，一部分控制机体与金属腿之间的角度，另一部分控制弹跳高度。该机器人具有很好的平衡性和运动稳定性，能够实现跑、跳、甚至空翻等动作。
1.5意义
当今世界，科技发展水平日益进步，机器人研究领域已经向航空航天、水面水下、地下管道等环境发展，未来的机器人将在人类无法工作的环境中代替人类工作，人们要求机器人不仅适应原来的基本要求，还要适应未知的环境，这就对机器人的运动灵活性、适应性、生存能力很高。
移动性能是未来机器人在许多场合的关键能力，为了完成任务，常常要求机器人能够到人们无法进入的禁区进行侦查、探测，、攻击，、干扰等行动。我们设计的仿生青蛙，运用了跳跃的运动方式，能够适应不同地表，实现跨越沟渠和障碍，活动范围广，躲避风险能力和生存能力强，拥有极强的移动能力，因此能够代替人们到达不可预测的环境中进行各种活动，完成任务 。
青蛙跳跃具有爆发性强、距离远的特点，能够轻松越过障碍，并且具有很好的环境适应性。其生物体结构和行为方式合理、灵活、高效。基于对青蛙生物特征和跳跃运动机理的分析，对于复杂的结构进行简化，提出了一种面向跳跃运动的机构模型，并进行仿生青蛙的设计。青蛙前肢简化为一个主动肩关节和一个被动肘关节，从而实现其着路支撑缓冲和姿态调整的功能。后肢采用五杆机构作为腿部主体，并增加脚掌以保证其稳定性。后肢通过电机控制实现跳跃动作，具有较大的可行性，后肢五杆机构具有与青蛙跳跃时相识的力学规律，从而实现很好的跳跃功能。
2.设计方案
2.1青蛙构成分析
青蛙构成分析是仿生青蛙的基础，青蛙身体分为头，躯干和四肢三部分，体型短宽，四肢强健。前肢短小指间无蹼，主要作用是支撑身体前部，便于举手远眺，观察四周；后肢长大而强健。青蛙的骨骼主要分为骨及软骨成分。主要部分是头骨、脊椎、胸骨。青蛙的脊椎由10块椎骨组成，青蛙后肢部分由大腿骨胫腓骨，趾骨，跖骨构成，前肢由掌骨等组成。后肢是有3个自由度，前肢由3个自由度。青蛙的肌肉对跳跃起主要的作用有半膜肌、臀肌、股二头肌和腓肠肌，半膜肌是交错在臀部和膝部关节的关节肌肉，主要在臀部伸展中起作用；臀肌是臀部和膝部关节中伸展的关节肌肉，在膝部伸展中作用很大；股二头肌作用类似于臀肌；腓肠肌是羽状关节肌肉，它通过脚底板的腱膜在膝和踝关节伸展中起作用，主要作用在在踝关节。
2.2青蛙的跳跃运动特征分析
基于青蛙运动时身体和姿态和动作，可以把其跳跃过程分为三个阶段（1）起跳阶段：从蹲踞姿势的准备开始动作，到青蛙离开地面。（2）腾空阶段：从离开地面到再次接触地面（3）着陆阶段：从接触地面到青蛙恢复至起跳准备阶段状态。
在准备起跳阶段，髋关节和膝关节强烈收缩，大腿和小腿几乎折叠在一起，弯曲在身体下面，跗跖关节弯曲到大约120度，从而提高踝关节以防止他与地面接触，前肢用于支撑身体和调整起跳状态。
在起跳阶段，当肌肉受到刺激开始收缩后，会产生能量使后肢快速伸展，依次将青蛙推向空中，在髋关节，膝关节和踝关节张开时，脚大部分仍然和地面接触，而且跗跖关节只是轻微张开，但随着运动的进行，跗跖关节有北向转动，使跗骨向前滚，一直进到脚趾，就像人走步时从脚跟移动到脚趾，在起跳阶段初期，肘关节逐渐打开，大臂收回到身体两侧，短小前臂伸展不能为跳跃提供多少动力，但在开始跳跃时马上抬起以起到平衡和方向的作用。
青蛙的柔性，多关节长脚是成功跳跃的一个重要元素，上述运动时前脚掌与地面接触足够长的时间，也使得起跳的地方从脚后往前移，对于青蛙这么长的动物，会允许不断的调整平衡，从而快速改变方向和轨迹，通过增加脚的接触时间，有利于结合每个关节的速度，从而使腿伸展的速度和最终起跳速度达到最大。
腾空阶段中，前肢先前伸展，后肢的髋，膝，踝和跗跖关节开始收缩，但比较缓慢，主要是为保证减少转动惯量较大的身体在空中的转动，保持身体平衡，直至于手掌接触地面。
着陆阶段中，手掌接触地面，前肢进行支撑和缓冲，后肢顺势收回，身体绕着肩部旋转直到后肢接触地面，身体的重量逐渐转移到后腿，转备下次起跳。
青蛙跳跃主要依靠两条后肢同时伸展，提供跳跃式向前和向上的力，最终跳跃地面。但并非青蛙的跳跃均为双足跳跃，双足跳跃主要用于向正前方跳跃。青蛙转弯时也进行单足跳跃，通过单组跳跃向身体外侧的伸展，实现身体的转向。
在跳跃过程中，前肢后肢各有其功能。后肢主要提供跳跃的力和能量，脚掌关节较多，柔性较大，在起跳过程中尽量保持接触地面，使腿部释放的能量充分利用于跳跃。前肢在起跳过程时辅助支撑地面，调节起跳角度，着陆时进行缓冲。另外，在空中，通过前肢和后肢的伸展与收缩，调节身体在空中的姿态。
2.3仿生青蛙机构模型建立
根据青蛙的上述跳跃特征，我们提出一种模型来模仿其后肢的运动，它的抽象过程如图(3)-a所示，选择弹簧作为储能元件，髋关节、膝关节和踝关节被简化为一个自由度，由电机通过绳索驱动，图(3)-c为最终简化的后肢机构模型。
除了这种杆机构作为机器人腿部的主体，根据青蛙跳跃时跗跖关节的重要功能，在脚部还应有一个被动关节，它在起跳阶段能通过保持脚掌与地面足够长的接触时间来提高跳跃能力，并增加跳跃的稳定性。另外，在髋关节增加后摆(绕z轴旋转，如图4所示)外摆（绕X轴转动），以调整跳跃的姿态，方向和轨迹。
由于前肢功能相对简单，并且为了简化机构，在肩关节只有一个自由度(绕z轴旋转)负责掌握平衡和调整跳跃姿态，肘关节有一个被动自由度负责在着陆阶段对机器人进行支撑和缓冲。
综上，我们得出仿青蛙跳跃机器人的机构模型(图4为对称模型的半侧示意图)，机器人起跳姿态的调整通过控制肩关节和髋关节完成，当松开绳索后，后肢把机器人推向空中，腾空阶段，通过绳索收回腿部，并调整肩关节和髋关节准备着陆，着陆时前肢肘关节进行缓冲，然后与后肢共同完成着陆。
3.理论计算
3.1运动学分析
3.1.1准备阶段仿生青蛙的运动学分析
3.1.2起跳阶段仿生青蛙的运动学分析
3.1.3腾空阶段仿生青蛙的运动学分析
3.1.4仿生青蛙整体运动学分析
3.2 仿生青蛙机械腿驱动机构
机械腿执行机构的收放和弹簧能量的调节是由绳索实现的，而对绳索的控制是由电机和机器腿驱动机构完成的。驱动机构主要包括单向轴承、棘轮、棘爪、齿轮和传感器，电机通过限定方向相反的单向轴承，分别带动不完全齿轮的转动，从而控制卷筒的滚动。驱动机构的输入为电机旋转，输出为卷筒的滚动，通过电机对齿轮传动的分时控制实现腿部的驱动。卷筒用于带动绳索实现腿的收放，此时需要电机输出高转速。下面分析跳跃高度和距离与滚筒圈数的关系。释放绳索相当于层架弹簧的初始长度，弹簧初始长度Ｓ＝３０ｎ＋Ｌ
4.工作原理
4.1仿生青蛙总体结构
机器人总体结构如图所示，它基于之前得出的机构模型，采用类似于青蛙的整体外形，由后肢、前肢和身体三个部分组成。各部分仿照青蛙相应部分的功能进行设计:前面装有摄像头，方便操控和监视后肢主要提供跳跃的力和能量；前肢在起跳时辅助支撑地面，调节起跳角度，着陆时进行缓冲；身体连接前后肢，安放驱动元件和传感器。为了尽量减轻腿部结构的质量，以利于提高跳跃的效率，四肢关节的驱动元件均置于身体中，通过电机带动卷筒收放绳索来实现对后肢关节的调节。
4.2仿生青蛙前肢
主动自由度和肘关节被动自由度，肩关节选用futaba-s356舵机，控制整个前肢的转动，肘关节处为一扭簧，并通过同步带和肩关节耦合，传动比为2:1,这样前肢在着陆缓冲过程中，地面作用力可以通过肩关节轴心，降低在关节处产生的扭矩从而减轻对舵机负载的要求，另外这种结构也增大了前肢关节压缩的角度范围，使着陆缓冲区更大，大臂处调整轮用于改变同步带的张紧程度和阻尼大小。
4.3仿生青蛙后肢
机器人后肢设计如图所示，由于大多数跳跃时，青蛙两腿的髋关节外摆自由度角度变化相同，为提高电动机效率，两关节由2个舵机控制，两侧通过齿轮传动，实现两腿自由度同步。两腿的髋关节后摆自由度分别由两个舵机控制。机器腿是机器人跳跃核心，它由直流电机、机器人腿驱动机构、机器腿执行机构组成，如图所示，为了减轻重量，降低能耗，机器腿仅有一个电机驱动，并通过机器腿驱动机构把它一个方向的转动通过绳索用于腿的收放。
4.4仿生青蛙机械腿执行机构
由于四杆机构在髋关节处多一个旋转自由度，所以用五杆机构代替四杆机构，如图所示，五杆机构由于同步齿轮限制只有一个自由度，即沿Y方向运动，通过拉动绳索可实现腿回收。脚掌和附拓关节可以辅助调节起跳角度，还能够提高踩关节以防止腿碰到地面。跗跖关节处有一被动扭簧，在起跳过程中能让脚掌充分与地面接触，利于弹簧能量充分转化到跳跃中，并防止打滑，提高跳跃的稳定性。腿部机构的核心是五杆结构，实际上机构由线性弹簧产生了非线性的力，并且使这个刚性结构具有很小的内部摩擦力。
4.5仿生青蛙机械腿的驱动机构
机器腿执行机构的收放和弹簧能量的调节是由绳索实现的，而对绳索的控制是由电机和机器腿驱动机构完成的。驱动机构主要包括轴承、棘轮、棘爪、齿轮，电机通过限定方向相反的单向轴承，分别带动不完全齿轮1与2的转动，从而控制卷筒的滚动。
驱动机构的输入为电机旋转，输出为两个卷筒的滚动，通过电机对齿轮传动的分时控制实现腿部的驱动。卷筒用于带动绳索实现腿的收放，此时需要电机输出高转速。卷筒用于实现对弹簧伸长量的控制，它可释放与弹簧一端相连的制卷筒度和距离，通过转动不完全齿轮到指定位置，可以控长度，从而调节弹簧储存的能量，并控制机器腿跳跃的高度和距离。
5.创新点及应用
5.1创新点
采用仿生学原理，模仿青蛙运动形式，具备生物体结构和运动方式的合理性和科学性 2.对于复杂地形的适应性强，跳跃运动方式越障能力强，能适应不同地表具有很强的环境适应性，适合在非结构化、未知的环境里代替人类完成侦察、探测等任务。 3.采用间歇式传动装置实现跳跃。
5.2应用与前景
仿青蛙跳跃机器人具有越障能力强的特点，因此加以完善和改进，可以广泛应用与军事侦查、防恐防暴、救灾救援、地质探测等方面。
仿青蛙跳跃机器人作为一个崭新的研究方向，涉及到生物学、仿生学、力学、机械、电子以及控制等多学科知识与技术，具有重要的研究应用价值。青蛙本身具有优异的两栖运动能力，如果仿生机器人也能集陆上跳跃能力和水下游动能力于一身，将拥有极强的环境适应性，因此有必要对青蛙游动运动方式进行机理分析，并探索仿生青蛙在多环境介质下的运动方式，从而增大仿生青蛙的应用范围。
仿蝎机器人步态分析及结构设计
随着国内管道运输系统的广泛应用，智能化管道检测技术的开发显得日益重要。在研究了国内外仿生机器人和并联机器人的基础上，对蝎子的行走过程进行了观察和记录，得到了大量的步态分析数据，并应用仿生学、运动学设计理论根据生物原形提出了仿蝎机器人的整体结构方案及各转动关节的转动数据，通过设计计算得到了其详细的机械结构尺寸，根据蝎子的尺寸比例设计了仿蝎机器人三维模型，为进一步进行仿蝎机器人样机在管道检测领域的应用奠定了坚实的基础。
1、 引言
目前，管道的检测和维护多采用管道检测机器人来进行。管道检测机器人是一种可沿管道内壁行走的机械，它可以携带一种或多种传感器及操作装置，在操作人员的控制下进行一系列的管道检测维修作业。管道检测八足步行机器人采用足式移动方式，仿蝎子的运动模式，可以相对较易地跨过比较大的障碍，并且机器人的足所具有的自由度可以使机器人的运动更加灵活，对凹凸不平表面的适应能力更强删。这种机器人不仅在管道检测领域，而且在军事国防、生物医学、航空航天、工业农业等领域都有广泛的应用前景圈。首先介绍文献方案醐，通过东亚钳蝎录像及反向动画的计算机控制录像技术深人讨论了东亚钳蝎的步态信息，并进行了仿蝎机器人结构设计。
2、 东亚钳蝎步态分析方案
2．1实验方案
通过拍摄东亚钳蝎动态录像并通过后期图像处理获取蝎子步态信息，对实验所得的系列图像进行处理，进而得出不同地形下蝎子的步态周期特陛和一个完整周期中蝎子的腿部角度变化，分析比较运动过程中蝎子腿部角度的变化，为仿蝎机器人结构设计奠定基础。
选用CANON PowershoLA530数码像机通过俯视拍摄得到东亚钳蝎录像，利用KMPlayer软件进行录像处理，使录像转换成10帧秒的图片，再利用sigmaScan软件捕捉东亚钳蝎离散后系列图片E腿部关节点坐标信息并保存，再计算出蝎子每条腿中每段腿的长度以及相连接的两段腿的角度变化。所搭建东亚钳蝎平地爬行实验平台，如图1所示。在由坐标纸铺设的平台上，两侧成45。角放置镜子，用于拍摄过程中获取蝎子腿部关节高度方向坐标值。
2．2东亚钳蝎腿部关节分析算法
东亚钳蝎身体一般可分为2部分：躯干部，呈扁平长椭圆形；后腹部分节，呈尾状，又称为尾部。实验所用的蝎子为雄性，体长为95mm左右，其中尾部长50mm左右，缓慢爬行速度约为40mn以。东亚钳蝎步态分析主要分析钳蝎腿部关节的运动情况，其腿部共有4个关 节，腿节长度示意图，如图2、图3所示。
3、东亚钳蝎步态分析结果
3．1东亚钳蝎的步态周期分析
通过对蝎子地面爬行的图片分析，可以得到蝎子慢速爬行过程中各腿步态起伏的结论：蝎子爬行时，将四对步行足分为两组，每一组都由对角线的四条步行足组成并且同时运动。当第一组步行足同时抬起运动时，第二组步行足同时着地支撑和保持平衡；同样，当第二组步行足同时抬起运动时，第一组步行足同时着地支撑和保持平衡。这样循环使蝎子持续前进。通过对蝎子原形的观察和对所得数据的分析，可以得出这样一个结论：蝎子在爬行时，前三步行足主要起支撑作用，最后一对步行足主要起向前推动作用。当第一组步行足同时抬起运动时，由第二组步行足的前三条同时着地支撑地面并形成一个三角型的稳定支撑形状，同时第二组步行足的最后一条用力向后蹬地获得向前的推动力。这样两组步行足交替运动形成了蝎子的步态循环。
3．2东亚钳蝎腿部角度变化分析
蝎子第一对步行足的角度变化范围：水平面摆角变化范围为(45．0～135．0)o，腿上第一关节处的角度变化范围为(100．8。176．4)o，腿上第二关节处的角度变化范围为(62．8．124．3)o，腿上第三关节处的角度变化范围为(72．2～162．6)。。蝎子第二对步行足的角度变化范围：水平面摆角变化范围为(55-122.5)o，腿上第一关节处的角度变化范围为(109．9～171．5)。，腿上第二关节处的角度变化范围为(48.5。108．1)。，腿上第三关节处的角度变化范围为(82.9一166.5)0。蝎子第三对步行足的角度变化范围：水平面摆角变化范围为(21．0--73．7)。，腿上第一关节处的角度变化范围为(129．7～171．5)o，腿上第二关节处的角度变化范围为(48．9～116．4)o，腿上第三关节处的角度变化范围为(85．1—141．0)。。蝎子第四对步行足的角度变化范围：水平面摆角变化范围为(12．2～39．5)o，腿上第一关节
处的角度变化范围为(115．2一166．4)0，腿上第二关节处的角度变化范围为(64．6～128．4)0，腿上第三关节处的角度变化范围为(97．5～144．3)0。东亚钳蝎步态分析，如图4所示。
4、仿蝎机器人结构设计
4．1仿蝎机器人转动关节的整体方案分析
通过对转动关节的控制，可以很好的控制机器人运动。所以下面对蝎子的腿部关节进行分析，得到整体方案的设计。以右2腿和右4腿为例分析。
对蝎子右2腿的观察和步态分析的实测数据表明，蝎子前三对腿的Φ角在蝎子运动过程中，是影响腿部的抬起高度因素之一，Φ角越大，其腿部的足尖点抬起高度越高，可以越过更大的障碍物，但是对蝎子的前进运动速度影响不大，前三对腿每个腿节的Φ角转动可能会与邻近的其他腿发生干涉碰撞，给仿蝎机器人控制系统的设计提出了较高的要求。因而，在所设计的仿蝎机器人中，忽略所有腿节中Φ角，保留ω角和θ角，其中ω角影响蝎子前三对腿的移动速度，θ角控制蝎子足尖点抬起和落下。
根据试验数据和实际情况，实现一个关节两个自由度是不容易的，所以在设计中每个关节只能取一个自由度，即每个关节只有一个转动方向。提出的整体方案设计理念是在前三对腿A B腿节设置为ω角的转动，BC腿节、CD腿节及DE腿节设置为θ角方向上的转动。在此设计中，ω角转动值由A点关节转动值代替，B、C、D点的关节上设置的口角方向上的转动值由各自在θ角方向上的转动值代替。
对蝎子右4腿的观察和步态分析的实测数据表明，最后一对腿中每个腿节的θ角转动也很可能会与相邻腿或机器人躯干发生干涉碰撞，A、B、C、D点的θ角转动范围都较小，所以最后一对腿的整体设计中将没有θ角方向上的转动。从数据分析中还可以看出，ω角变化趋势是增大的，所以在最后一对腿的整体设计中将A点的转动设为ω角方向上的转动；而B、C、D点的关节上设置为西角方向上的转动。在此设计中，ω角转动值由A点ω角转动值代替，B、C、D点中角方向上的转动值由各自在Φ角方向上的转动值代替。
4．2仿蝎机器人结构设计
仿蝎机器人为并联机构，其八条步行足都分别有四个转动自由度(分别位于关节处)。八条步行足左右方向对称分布，整体结构设计模型初步采用蝎子原形。整体采用微型伺服电机驱动系统，在单条步行足的每个自由度上分别安装一台微型电机进行驱动，于是单条步行足共需要四台电动机。为了实现转向的目的，关节的转动机构均采用直齿圆锥齿轮传动。仿蝎机器人结构设计数据主要来源于蝎子原形的放大，放大比例1：10(蝎子原形的10倍)，图中的主要数据为：主板长450mm，厚度5mm，第一对步行足的间距为100mm，第二对步行足的间距为140mm，第三对步行足的间距为160mm，第四对步行足的间距为160mm，仿蝎机器人三维模型，如图5所示。
仿蚯蚓打孔机器人的仿真系统
1、 仿蚯蚓打孔机器人的机构与工作原理
该机器人是采用形状记忆合金功能材料，仿照蚯蚓等软体动物的蠕动和挠曲原理设计的。形状记忆合金材料与结构具有形状记忆功能，在相变过程中有回复力输出，这一回复力可以对外做功，在反复加热和冷却的热循环中，均会产生相同的相变和相同的回复力。通过控制形状记忆合金材料的温度，可对其变形过程进行控制。该机器人的机构与工作原理图如图1。整个机器人系统主要由驱动部分、导向部分、控制系统和脉冲电源组成，驱动部分主要由形状记忆合金弹簧、普通偏置弹簧、前支撑脚和后支撑脚4部分组成，该部分的主要功能是带动机器人作微步蠕动前进或后退；导向部分主要由前支撑脚、偏置弹簧、工具电极和4根均布的形状记忆合金弹簧组成，通过控制某一根或某几根形状记忆合金弹簧的变形量，可使导向部分在不同方向上产生不同曲率半径的弯曲，实现导向的功能；控制系统是整个电火花加工机器人的指挥中心,负责加工信息的采集与处理，以及控制信号的传输等工作,使加工过程得以持续稳定地进行；脉冲电源提供电火花加工时所需要的能量。加工时工具电极和工件
分别与脉冲电源的两输出端联接，驱动部分使工具电极作蠕动进给运动，实现电火花加工，并在加工过程中产生短路时，带动工具电极回退，使加工中工具电极与工件之间保持合适的放电间隙，导向部分带动工具电极进行弯曲导向，形成所要加工的弯曲路径。
2、 机器人运动的仿真系统
2.1 系统结构
该仿真系统采用模块化设计方法和面向对象的程序设计方法，用面向对象语言Visual C++6.0编制而成。该系统由参数设置模块、路径规划模块、轨迹模拟模块、动画仿真模块和人机界面模块等5大模块组成。
参数设置模块负责完成各模块的初始化，设置被加工曲线孔的孔径和机器人的蠕动步距等参数，完成对机器人初始状态的设置。
路径规划模块确定机器人的运动路径。它包括两种路径输入方式：①以绘图的方式来设计运动路径；②以3B语言编程的方式来设计运动路径。
轨迹模拟模块主要完成对3B代码文件的数据读取操作，实现坐标变换，并调用绘图函数将轨迹模拟显示出来，检查数据输入的正确性和完整性，便于重新编辑和修改，直到满足要求为止。
动画仿真模块根据初始化状态，调用系统时钟的设置与管理程序，并对机器人的运动情况进行实时动画仿真。
人机界面模块主要完成对菜单和对话框事件的响应，实现各种人机交互过程，以增加仿真系统的交互性和灵活性。
2.2 仿蚯蚓机器人蠕动进给打孔的动画显示
动画按其生成方式的不同可分为预制动画和实时动画两种。预制动画是事先制作生成固定序列的动画，其优点是显示速度较快，画面比较精细，但它的致命弱点是动画不能根据用户的要求交互地改变，因而应用的范围比较小。实时动画是一边计算一边生成的动画，优点是动画序列可以灵活地根据要求实时地改变，使用范围广，交互能力强，但对于图形算法复杂，计算量较大的系统在一般微机上很难同时做到画面精细逼真和图形显示快速平滑。该机器人的动画仿真采用实时动画的方式，机器人在曲线孔中动态运动过程的图象显示采用异或作图的方法，其动画显示具有良好的连续性和运动感，同时图形显示的速度性能和图形质量良好。
2.3 仿真程序的设计原理
图2是仿蚯蚓机器人仿真系统的主程序框图。用户可以根据曲线孔加工要求改变机器人的运动与结构参数，并可对动画显示的速度，机器人蠕动时的步距以及机器人的初始位置等参数进行设置。借鉴数控加工编程的基本原理和基本方法，把任何复杂的曲线孔都分解成许多微小的直孔段或圆弧孔段，进行直线或圆弧插补运算，然后对这些直线与圆弧段孔进行编程。曲线孔加工路径的设置可选用3B语言和绘图两种输入方式中的任一种。在进行机器人动画仿真之前，可通过对仿真轨迹的模拟显示来检查路径输入的正确性，并及时进行编辑和修改。仿真程序根据初始化状态和各种参数设置，通过读取文件数据进行实时动画仿真，用户可实时地观察到仿蚯蚓打孔机器人的运动姿态和加工状况。
3、 仿真结果
图3为仿蚯蚓机器人仿真打孔时某一瞬间的显示结果。图中浅黑背景代表被加工工件，白色曲线为机器人加工仿真出的曲线孔，曲线孔的最前端的机构装置为正在进行仿真加工的机器人。图3 仿真系统某一瞬间的显示结果
三肢体机器人行走步态规划研究
对一种新型采用三腿机构形式的永磁吸附肢体机器人，其所具有的蠕动、翻转以及交叉三种行走步态可分别用于不同的工作场景。对机器人的三种运动步态进行了运动规划研究，为了降低机器人行走步态规划的复杂性，采用“合二为一”的策略，将机器人动作一致的两侧肢体作为一个肢体来规划，得到了具体的机器人运动规划算法。
1、 机器人本体结构
机器人的结构，如图I所示。共具有9个运动关节，其中肢体2、3机构形式相同，各具有髋、膝和踝三个运动关节，肢体1无髋关节，具有膝、回转和踝三个运动关节。机器人的每个肢体末端都设计有操作机构和一种基于内平衡原理的永磁吸附机构日，两种机构背靠背设计，利用踝关节电机驱动以实现操作机构与吸附机构的转换，当吸附机构翻出时，肢体转变为三自由度具有吸附功能的行走机构，如果操作机构翻出，则配合站立腿，肢体转变为具有操作抓取功能的多自由度操作臂，可完成对操作目标的操作作业。
由于机器人采用独特的三分支结构形式，并且采用磁吸附机构维持其在移动和操作过程中的平衡，使其具有多种灵活的运动步态，如蠕动行走步态、翻转行走步态和交叉行走步态，其中蠕动行走步态主要应用在小距离范围内接近目标物体以及通过降低自身高度躲避高处障碍．翻转步态则主要应用于当运动前方出现相对比较矮的障碍物时，机器人可采用翻转步态翻过障碍，而机器人交叉步态则主要应用于机器人在无障碍路面快速行走。
2、机器人蠕动步态和翻转步态运动规划
定义机器人在采用各种步态行走开始时．其各关节的初始零位角度规定为，如图2所示。方向顺时针为正，反之为负。在机器人运动完一个步态周期后，机器人各关节又恢复到初始零位姿态，并且在行走的过程中，机器人的三个踝关节锁住，不参与运动规划，只是在足面与路面即将接触时，通过对足面作一定的微调．以保证吸附机构可靠的吸附。
2．1机器人蠕动步态运动规划
机器人一组完整的蠕动行走步态，如图3所示。分为伸展和缩进两个过程，由于对这两个过程的步态规划方法完全相同．下面只给出机器人伸展过程的步态规划算法。
机器人蠕动步态的规划在笛卡尔空间进行。假设机器人采用蠕动步态运动开始时，机器人先采用肢体l吸附支撑，肢体2、3吸附机构释放并抬起步态一致向前伸展，并最后落地吸附。肢体2、3吸附足面抬起及落地吸附点的位置关系，如图4所示。图中L为肢体2、3落地点距肢体1站立点的长度；d为肢体2、3问的距离；0为机器人蠕动步态后机体方向与原来方向间的夹角．由站立肢体1的回转荧．I了独立决定．只要保证该关节在一定的时间内运动到要求的角度即可，因此为了简化其他关节规划计算，在规划其他关节运动时，设定θ=0度。
定义肢体2、3末端初始位置为(pxird1，p yird2)，i=2，3，伸展过程中位置为(pxird1，p yird2)，设计肢体2、3足部运动轨迹为抛物线型。则肢体2、3末端运动轨迹为：
式中：L一肢体2、3抬脚点距落脚点的步长；H一机器人肢体2、3足部抬起的最大高度；T—展开过程完成周期；I—展开过程中的时间点．
在采用蠕动步态行走的过程中，为了使摆动肢体吸附足面能快速与路面贴合，从而以保证快速吸附，给机器人施加限制摆动肢体2、3的小腿始终与移动路面垂直的约束，则由机器人几何结构关系可知有下式成立：
则由式(1)并结合机器人运动学计算公式阳。即可建立机器人蠕动步态伸展过程中各关节转角与足末端轨迹的关系式。机器人蠕动步态缩进过程中的各关节转角与足末端轨迹的关系式同理可得。
2．2机器人翻转步态运动规划
机器人一组完整的翻转行走步态，如图5所示。也分为肢体1吸附机构吸附，肢体2、3姿态一致摆动，或肢体2、3吸附机构吸附，肢体1摆动两个过程，这两个过程的步态规划方法完全相同，只给出机器人肢体l吸附机构吸附，肢体2、3姿态一致摆动的步态规划算法。翻转步态的规划在关节空间进行。假设机器人采用翻转步态运动开始时，机器人先采用肢体l吸附支撑，肢体2、3吸附机构释放并抬起步态一致向前翻转。定义肢体2、3吸附足面的初始位置为(pxifz1，p yifz1)，i=2，3，翻转后落地点位置为(pxifz2，p yifz2),i=2，3，如图6所示。则肢体2、3落地点与起始点位置关系如式(3)所示：
式中：当l为肢体2时，i=2，且式中正负号取下部符号，当为肢体3时，i=3，且式中正负号取上部符号；L—肢体2、3翻转后落地点距肢体1站立点的长度；、31/2l-肢体2、3翻转前起始点距肢体1站立点的长度，是由机器人各关节起始零位姿态决定的；d—肢体2、3问的距离；θ—机器人翻转后机体方向与原来方向间的夹角，同理设定脚θ=0度。
同时为了保证快速可靠吸附，在肢体2、3落地吸附时，同样要求其小腿与移动路面垂直。则结合机器人肢体l吸附支撑行走的逆运动学计算公式可求得机器人在到达目标点落地后机器人各关节的角度如式(4)所示，式中对应Φ1也的取值，Φ1有不同的解，
则机器人肢体2,3摆动的翻转步态就是其肢体末端从t0时刻的初始位置(pxifz1，p yifz1)运动到tf时刻的终点位置(pxifz2，p yifz2)，并且运动速度在to和tf时刻都为0。利用三次样条函数插值计算机器人各运动关节角度随时间t的变化关系。有下式(5)：
将式(6)代入式(5)可解得机器人翻转步态中各运动关节的三次样条角度运动函数：
仿生蜘蛛机器人
在自然界中，蜘蛛因其独特的爬行机制可以在垂直的墙壁甚至倒立在天花板上行走。运用仿生学原理设计制作的6足蜘蛛仿生机器人系统，可以完成行走、转弯、攻击、趴下等系列动作，并且具有较好的人机交互功能，使蜘蛛机器人达到了仿生的效果。
1、 机器人本体设计
生物界蜘蛛的特点是拥有8条腿，在行走时，总会有4条腿着地，用以保持自身的平衡。其生物行为除了行走，还有转弯、攻击、趴下等，每个行为作业都靠脚部的运动来实现，因此对腿部的灵活度要求较高；其次，要使机器人具有生物的特性，需对外界的刺激做出正确的判断和及时的响应，所以感觉器官的模拟也至关重要。
1）躯干设计
考虑到蜘蛛机器人躯干部位对灵活度基本没有要求，无需搭建活动关节，且整机控制器不宜受到关节活动干扰，于是将整机控制器作为躯干部位，完全符合要求，并且便于操控。控制器采用16位高性能低功耗的AVR单片机，频率最高为16 MHz，运算速度最快为16 MI·S一。对于小型仿生蜘蛛机器人的运动解算和规划，该运算能力足以满足控制和在线规划的运算要求。
2）腿部设计
腿部设计是实现蜘蛛机器人功能的关键。机器人设计有6足，行走时依靠两两间隔的3条腿构成稳定的三角形支撑地板，每只腿设计为3个关节，即具有3个自由度。并且将轴向分布成茗轴、Y轴、彳轴，实现前后、左右、上下的三维活动空间。选取18个Robotis公司的Dynamixel AX一12+机器人专用伺服电机充当肢体关节。
Dynamixel AX一12+是机器人专用的伺服电机，充当机器入的关节。首先，Dynamixel系列机器人驱动器是一个较流行的模块化驱动器，由齿轮减速器、精密直流电机和具有串联功能的电路板封装组成。尽管它体积小巧紧凑，但它可以产生较大的扭矩，加上高品质材料制造并具有一定的强度，可以抵御一定外部冲击。同时它还是双向的伺服控制系统，具有回授功能，且具有检测内部温度功能，例如改变内部温度和供电电压。具有报警功能：当内部温度，扭矩，供电电压等超过额定范围时，它主动反馈这种情况并闪动LED灯或关闭舵机扭矩来通知用户，达到报警效果。
Oynamixel AX—12+的位置和速度控制精度可达1 024级(0～l 023)，关节型舵机对应最大转角为3000，控制角度分辨率为300／1 024=0．290／步。如图1所示，位置值0是0。，位置值512是1500，位置值l、023是3000等。通信波特率为7 343 bit·s～～1 Mbit·s～，命令信号是数字型数据包，通信协议类型为半双工异步串口通信，不同舵机之间通过唯一的ID进行识别，最大有254个ID。每个Dynamixel AX一12+舵机都有一个控制表存储舵机的状态和控制信息，这个控制表由一个RAM区和E2PROM区组成，对舵机的控制实际是通过向其控制表中写指令；而要获取舵机当前状态实际就是读取控制表相应的值。
3）感觉器官设计
设计蜘蛛机器人的感官系统时，如果每个感官对应一个传感器模块，那么对蜘蛛机器人关节活动便会增加许多牵绊与阻碍。于是，设计采用1个集超声测距传感器、声音检测传感器、亮度传感器、温度传感器和红外线接收器于一身的Robotis公司的DynamixelAX—S1模块来充当机器人的感官系统。并且AX—Sl与AX一12+机器人专用伺服电机在通信方式上一致，以便于通信和控制器统一管理；在机械上结构相同，外观上也可以达到统一、美观。
4）本体结构
根据生物蜘蛛外形，设计总体结构为：以控制器作为身体部位，连接6足，将传感器模块作为头部。选取合适的连接件，最终拼装连接得到小型仿生蜘蛛机器人样机，如图2所示。
来源：国际仿生工程学会
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