3 步态分析

3.1 四足仿生机器狗步态方式简介

步态是指机器人实现正常运动的运动方式，在四足仿生机器狗的步态研究中，灵感主要来自对自然界中四足动物运动方式的观察和分析，最终通过模拟和仿真形成机器狗的步态。本机器狗将被广泛应用于地形复杂、环境多变的灾害现场，因此达到四足仿生机器狗各腿部之间的协调，并且保证机器狗的运行速度、方向及稳定性等已成为重要的研究课题。通过收集大量资料并查询相关论文，现阶段存在许多不同的步态方式，其中最为经典的是对角步态。

3.2 对角步态

3.2.1 步态概述

对角步态是四足仿生机器狗步态研究中一种典型的步态方式，属于静态步态，符合对角线原则，即在对角线的两条腿同时进行相同动作。在运动步态分析中，机器狗由一开始的静止站姿状态变为对角线上的两条腿同步运动，向前迈进；紧接着另一对角线上的两条腿也同时向前迈进，恢复成初始时静止站姿的稳定状态。对角步态的优点是可实现高效率行走。

3.2.2 行走过程的运动分析

由于该四足仿生机器狗需要更为严格的稳定性，所以采用对角步态。采用这种步态可以使重心调整量减少到最小，并且效率最高。静态稳定裕度可以评判静态步态稳定性。空间直角坐标系内，四足仿生机器狗的重心在 XOY 面上的投影点是 M。其余三只足在XOY 面内构成△ABC，M 点到三角形三边的最小距离为重心到三边的垂直距离（见图 3和图4）。参考文献后可以得出，图3所示步态顺序的稳定裕度和纵向稳定裕度最好。如图 3 所示，以左前腿为起始点顺时针标号，行走过程中，抬腿的顺序为①→④→②→③。

图3 静态稳定裕度分析
Fig.3 Static margin analysis

图4 静态稳定裕度分析
Fig.4 Static margin analysis

图5 步态顺序
Fig.5 The gait sequence

图6是机器狗行走步态的分解动作。步态 a 为机器人初始静止时的稳定状态，四只腿呈X形，通过ADAMS仿真对四种腿形的四组机器狗进行仿真，发现前肘后膝X形腿具有较好的稳定性。在迈步过程中，首先迈出左前腿，剩下的三只足撑地，变为姿态b。当机器狗重心投影点位于由另外三只足支撑线形成的三角形内，并且重心投影点到各边的距离为最小距离时，机器狗最稳定，这就是静态稳定裕度的概念。接着，迈出右后腿，完成姿态c；再迈出左后腿，完成姿态d；最后，迈出右前腿，完成最后姿态e。

图6 分解动作
Fig.6 Decomposition action