一體化重構閉鏈腿機構的設計與越障性能分析

摘要：為解決傳統閉鏈腿機構攀爬越障性能不足的問題，基于Watt型閉式運動鏈開展了構件元的尺度重構設計，采用間歇機構耦合行走動力與重構動力，設計了一體化重構閉鏈腿機構。分析了桿件的重構靈敏度和調節極值，確定了重構桿件和桿件參數最優解。搭建了四雙足步行平臺，分析了平臺的重構策略與跨越攀爬策略。樣機的行走與越障試驗結果表明基于一體化重構閉鏈腿機構搭建的步行平臺在保障整體剛性的同時提高了越障性能。

關鍵詞：一體化重構；間歇機構；不完全齒輪；閉鏈腿機構；跨越攀爬策略

中圖分類號：TH112

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2025.01.005

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Design and Obstacle-surmounting Performance Analysis of an Integrated

Reconfigurable Closed-chain Leg Mechanism

ZHAO Shunqing1"WENG Mingze2"WU Jianxu1*"YAO Yanan1

1.School of Mechanical，Electronic and Control Engineering，Beijing Jiaotong University，

Beijing，100044

2.China Academy of Aerospace Aerodynamics，Beijing，100071

Abstract： To address the insufficient climbing and obstacle-surmounting performance of traditional closed-chain leg mechanisms， a scaled reconfigurable design of component elements was developed based on the Watt-type closed kinematic chain. An intermittent mechanism was adopted to couple walking power with reconfigurable power， and an integrated reconfigurable closed-chain leg mechanism was proposed. The sensitivity of linkage reconfiguration and the interval of parament adjustment were analyzed， and the optimal solutions for the reconfigurable linkages and their parameters were determined. A four-biped walking platform was built to analyze the platforms reconfigurable strategies and obstacle-surmounting strategies. A prototype was developed， and walking and obstacle-surmounting experiments were conducted for validation. The results indicate that the walking platform constructed on the basis of the integrated reconfigurable closed-chain leg mechanisms， enhances obstacle-surmounting performance while ensuring overall rigidity.

Key words： integrated reconfigurable; intermittent mechanism; incomplete gear; closed-chain leg mechanism; climbing strategy

0"引言

相較于輪式機器人和履帶機器人，足式機器人的足端和地面離散接觸，具有較好的地形適應性，面對障礙路面、崎嶇山路等非結構化復雜地形時，具有更好的通過性能，在山地物資運輸和災難救援等領域具有廣闊的應用前景［1］。

根據腿部構型的不同，足式機器人可分為串聯式、并聯式和閉鏈式?；诖撌酵葯C構的足式機器人具有較好的機動性能，如波士頓動力公司研發的BigDog［2-3］、LS3［4］、Spot［5］。Spot采用電驅動，自重30 kg，最大行進速度為5.74 km/h，可負載14 kg實現奔跑步態。BOUMAN等［6］基于Spot實現了四足機器人的大尺度和長周期自主運動。KATZ等［7］研制的Mini Cheetah高約0.3 m，自重9 kg，速度可達2.45 m/s。YANG等［8］研制的“絕影”具有較強的機動性能，能自主進行連貫的小跑、轉向和傾倒自復，并能通過機器學習實現未知場景的自適應。榮學文［9］、柴匯［10］研制的Scalf自重123 kg，具有12個驅動自由度、4個被動自由度，最大負載為120 kg，負載50 kg的最大速度可達5.04 km/h。ZHANG等［11］研制的HITCR-Ⅱ有效提高了六足機器人在非結構化地形行走的穩定裕度，仿真結果表明軀干的俯仰角、橫滾角分別減小了54%和53%，穩定裕度提高了39%?？臻g并聯式腿機構［12-14］將多桿支撐末端構件作為腿部結構，該機構比串聯機構剛度大、穩定性強，在相同的自重/體積下具有較高的承載能力。基于三自由度單環路并聯機構，LI等［15］完成的步行機器人可通過調整步長和步高實現不同速度的行走并跨越不同大小的障礙。GAO等［16］研制的六足機器人Baby Elephant最大載荷可達100 kg，最大速度為1.8 km/h。LI等［17］研制的新型六足機器人Hexapod具有更好的穩定性、有效載荷和容錯能力，實現了45°樓梯的攀登。MAO等［18］研制的新型多足機器人“青騅”實現了不同地形的穿越。郭為忠等［19］研究了六足輪腿式機器人的步態拓撲規劃策略和步態拓撲矩陣生成流程。閉鏈式腿機構系統采用多連桿耦合的結構形式，具有良好的整體剛度，簡化了運動控制系統［20］。國內外研究人員基于三種經典的閉鏈腿機構（Chebyshev機構［21］、Jansen機構［22］、Klann機構［23］）構建了多種足式機器人。WU等［24］提出整體閉鏈機構的概念，并將其用于設計步行車輛［25］的行走模塊，基于整體閉鏈行走機構構建的雙四足步行車輛可實現22°縱坡攀爬，300 mm壕溝跨越，150 mm垂直墻越障，最大速度為8.15 km/h。

傳統單自由度閉鏈腿機構固定不變的幾何形態特征、構件鄰接關系與行走步態軌跡在應對未知多變的地面環境時，所構造的多足載運平臺會出現地形適應性不足或通過效能較低的問題［25］。重構設計可改變原有機構的運動軌跡，有效改善機構的地形適應性。KANG等［26-27］設計了具有豐富運動分支的多種可重構機構，基于螺旋理論分析了單環與多環機構的重構機理及其運動學原理，提出了機構的重構識別方法［28］，完善了可重構機構自由度分析與分岔特性理論，為可重構機構應用打下了堅實的基礎，研發的多款基于可重構軀干的變胞機器人［29-30］可實現多種仿生步態，并具有通過縱坡、垂直墻和壕溝等多種地形的高適應移動能力。KUO等［31］對可重構機構與可變拓撲機構進行了比較論述，將機構的重構方式歸結為以下四種：①連桿機構的有效桿件或運動副的數量改變；②運動副性質改變；③連桿機構的有效桿件與運動副的鄰接關系改變；④連桿機構運動副的相對布置關系改變。

針對足式平臺高可靠性、強地形適應性、高機動性的需求，筆者結合傳統閉鏈腿機構的優勢，設計出可重構閉鏈腿機構。分析了桿件重構靈敏度和調節極值，確定了重構桿件及相關參數，并采用不完全齒輪間歇機構耦合行走動力和重構動力，得到一體化重構閉鏈腿機構。基于一體化重構閉鏈腿機構搭建了四雙足步行平臺，并建立了平臺應對典型垂直障礙的攀爬重構策略，分析了步行平臺越障概率，開展了樣機試驗。

1"閉鏈腿機構的設計與運動學分析

根據現有閉鏈腿機構的共有構造特性，得到閉鏈腿機構的設計約束［25］：①機構自由度為單自由度，且所有運動副均為平面低副；②至少包括曲柄、機架、大腿桿件、小腿桿件，且曲柄整周轉動驅動，曲柄兩端分別與機架和三副桿相連，大腿桿件分別與機架、三副桿和小腿桿件相連，曲柄與大腿桿件和小腿桿件不直接相連，機架與小腿桿件不直接相連；③小腿桿件足端位置生成封閉無交叉的軌跡曲線。本文研究的Watt型閉鏈腿機構采用全轉動副關節，圖1為其運動簡圖，圖中，r0表示機架，r1表示曲柄，r2、r4、r5表示三副桿的三條邊，r3、r6表示大腿桿的兩條邊，r7表示二副桿，r8、r9表示小腿桿的兩條邊，上述部件對應的桿件長度為L0～L9，θ0為機架和橫軸之間的夾角，θ2_5為r2和r5的夾角，θ3_6為大腿桿r3和r6的夾角，θ8_9為小腿桿r8和r9的夾角。

在機架上建立坐標系OXY，其中，原點O設置在曲柄與機架的轉動軸中心處。該機構包含2個閉合環路（環路1、環路2），利用矢量環路法分別對2個環路進行運動學分析求解。環路1、環路2的矢量表達式分別為

r0+r3-r2-r1=0（1）

r5+r6+r8-r7=0（2）

其中，r0～r3、r5～r8為部件r0～r3、r5～r8對應桿件的矢量，將各個矢量進行正交分解可得單腿機構的角位移

θi=

2arctan（－1）ibi－1（bi－1－4ai－1）－bi－12ai－1""i=2，3

2arctan（－1）ibi－4（bi－4－4ai－4）－bi－42ai－4i=7，8 （3）

ai=L2i+1－L2i－（L1cos θ1－L0cos θ0）2－

（L1sin θ1－L0sin θ0）2+2Li+1（L1cos θ1－L0cos θ0）

bi=－4Li+1（L1sin θ1－L0sin θ0）

對θ2、θ3、θ7、θ8進行一階求導，可得單腿機構的角速度

ωi=

L1ω1sin（θ3－θ1）L2sin（θ2－θ3）

i=2，3

L2ω2sin（θ2－θ8）+L4ω4sin（θ8－θ4）+L6ω6sin（θ6－θ8）L7sin（θ7－θ8）

i=7，8

（4）

對ω2、ω3、ω7、ω8進行一階求導，可得單腿機構的角加速度：

α2=Ecos θ3+Fsin θ3L2sin（θ2－θ3）

α3=Ecos θ2+Fsin θ2L3sin（θ2－θ3）

α7=Gcos θ8+Hsin θ8L7sin（θ7－θ8）

α8=Gcos θ7+Hsin θ7L8sin（θ7－θ8） （5）

E=L0ω20cos θ0－L1ω21cos θ1－

L2ω22cos θ2+L3ω23cos θ3

F=L0ω20sin θ0－L1ω21sin θ1－

L2ω22sin θ2+L3ω23sin θ3

G=L2ω22cos θ2+L4ω24cos θ4+L6ω26cos θ6－

L7ω27cos θ7+L8ω28cos θ8+L2α22sin θ2－

L4α24sin θ4+L6α26sin θ6

H=L2ω22sin θ2－L4ω24sin θ4+L6ω26sin θ6－

L7ω27sin θ7+L8ω28sin θ8－L2α22cos θ2－

L4α24cos θ4+L6α26cos θ6

利用遺傳算法優化桿長和夾角。首先，設置基因長度為7，桿長變化范圍為±12 mm，角度變化范圍為±7.5°，交叉概率為0.75，變異概率為0.02。然后，利用矢量環路法求解足端軌跡，足端點的矢量表達式為

rh=r1+r2+r6+r9（6）

足端軌跡的優劣采用適應度函數表達，由質心波動與跨步長度Lstep聯合表征。質心波動為負向指標，數值越小越好，因此需對其進行正向化處理。質心波動的計算時間長、迭代多，故改用曲柄角度θc來衡量足端軌跡的優劣。根據質心波動與跨步長的變化范圍及設計需求，主動給出質心波動與跨步長的權重，將多目標轉化為單目標。足端軌跡的優劣適應度函數為

f=Lstep+3θc（7）

將曲柄不存在及軌跡出現交叉的個體適應度函數賦值0，得到每個個體的適應度函數后進行歸一化處理：

fst（i）=f（i）/∑f（i）（8）

式中：fst（i）為某一特定條件下自變量i的適應度函數值；f（i）為通用條件下自變量i的適應度函數值；∑f（i）為所有可能條件下的適應度函數值總和。

復制過程利用輪盤賭算法計算復制概率，根據隨機復制的概率生成新的個體，并將通過交叉變異形成的新個體作為子代。為防止最優解丟失，將父代中的最優解保留，隨機賦值給子代，形成新的種群。反復迭代計算最優解，得到桿長（L0～L9）和夾角（θ0、θ2_5、θ3_6、θ8_9），如表1所示。

2"一體化重構機構的設計

2.1"設計思路

對Chebyshev機構、Klann機構、Jansen機構組成的雙足閉鏈腿組進行越障性能和支撐平直度分析，結果如表2所示，其中，越障性能為越障高度和腿長的比值，支撐平直度為足端軌跡的支撐相最大垂向位移和支撐相長度比值的剩余分率。

表2中的越障性能數據顯示，單自由度閉鏈腿機構的運動特性恒定不變導致越障能力不足?；趩巫杂啥乳]鏈腿機構搭建的多足平臺需具備較強的機動性，以更好地適應復雜地形，此外，為保障承載性能和可靠性，多足平臺應具有較少自由度。筆者針對多足平臺的強機動性和高可靠性需求，提出單動力可重構閉鏈腿機構的概念，設計重構和動力耦合機構，分析重構策略和越障概率，設計樣機并開展越障實驗，具體研究技術路線如圖2所示。

2.2"重構方案設計

采用可重構機構實現腿部運動模式的切換，由Watt型運動鏈構造而成的全轉動副單自由度閉鏈腿機構如圖3所示?？芍貥嬮]鏈腿機構通過運動副之間的位置關系變化實現足端軌跡重構，呈現不同的運動模式。將可重構思想引入Watt型閉鏈腿機構設計，在原有的六桿七副腿機構上增加1個桿件和1個運動副，以改變腿機構的足端軌跡，提高越障能力。常見的閉鏈腿機構重構有構件元重構、連接元重構、關聯關系元重構。構件元重構是重構腿機構中的某一構件，通過增加1個移動自由度來調節桿件長度，最終提高越障能力。構件元重構的本質是改變某一桿件的長度，結構相對簡單，控制復雜度低，故本文選擇構件元重構的方法進行閉鏈腿重構設計。

單自由度閉鏈腿機構包含桿長和角度等多個參數。腿機構足端軌跡可分為4個相位區間（支撐相階段、擺動相階段、過渡階段1、過渡階段2），如圖4所示。目標足端軌跡的曲線形態在支撐相階段對應的質心波動應最小，在擺動相階段對應的抬腿高度應最大，這樣通過改變不同階段的桿長就能在提高越障能力的同時保證較好的平穩性。

確定腿機構構型、基礎尺寸、構件元重構方案后，對單腿機構中各桿件的長度進行靈敏度分析，確定桿件長度變化對機構抬腿高度的影響。建立單腿機構的運動學模型，分析各桿件的長度變化對足端軌跡抬腿高度的靈敏度，得到的桿件靈敏度是桿件長度改變前后的靈敏度均值：

Si=12（Wi+1－Wixi+1－xi+Wi－Wi－1xi－xi－1）（9）

式中：Si為靈敏度均值；W為足端軌跡的目標值即抬腿高度Wy，Wy=ymax-ymin；ymax、ymin分別為足端軌跡最高點和最低點的高度；x為變量即桿件長度；下標i為迭代次數。

根據整體安裝和工作尺寸限制，將桿件變化量取值范圍定為［0 mm，20 mm］。

選擇重構參數時，為保證平臺的穩定性且便于后續的動力耦合設計，選擇結構簡單且易發生長度變化的桿件進行設計與分析，因此分別將機架r0、曲柄r1、三副桿的兩條邊邊r2與r4、大腿桿的兩條邊r3與r6、二副桿r7的對應桿長L0～L4、L6、L7在數值的基礎上增加20 mm并生成足端的空轉軌跡，根據桿長變化量ΔL對抬腿高度的影響程度可得桿長變化對抬腿高度的靈敏度曲線，如圖5所示，其中靈敏度由S表示。

桿長變化量為0～20 mm時，r0～r4、r6、r7的靈敏度均值分別為-1.24、0.713、1.744、0.063、-0.446、0.586和1.136，其中，正數表示足端軌跡的抬腿高度隨著桿件長度的增大而增大，負數表示足端軌跡的抬腿高度隨著桿件長度的減小而增大。由桿件靈敏度均值可以看出，r2的靈敏度最大，即桿件長度變化相同時，r2對抬腿高度的影響最大；機架桿r0的靈敏度次之，但抬腿高度隨r0的減小而增大。

由桿件靈敏度可確定桿件長度化對抬腿高度的影響?；跅U件靈敏度對桿件長度調節的極值進行分析，其中，靈敏度正相關的計算極大值，負相關的計算極小值。選取重構桿件應遵循以下設計原則：①盡量選擇靈敏度大的桿件，以提高調節效率，降低調節復雜程度；②盡量選擇桿件長度調節極值范圍較大的桿件，以盡可能增大抬腿高度；③盡量選擇與機架相鄰的桿件作為重構桿件，以利于動力耦合設計。根據各桿件的靈敏度和極值范圍內的最大抬腿高度，并基于重構參數設計原則，在充分考慮調節效率、可調整設計對整機穩定性能影響、動力耦合等因素的前提下，最終選擇機架r0作為重構桿件進行可重構設計，如圖6所示。依據單腿機構目標足端軌跡及桿長，采用MATLAB優化各桿件長度的極大值和極小值，優化結果顯示機架長度的極小值為56.5 mm，對應的最大抬腿高度為86.5 mm。

對機架桿重構后的閉鏈腿機構足端軌跡（圖7）進行分析。重構后的支撐相長度為80 mm，支撐相垂向最大位移為5.1 mm，支撐平直度為93.6%。在保證腿機構支撐直線度不變的前提下，最大抬腿高度從重構前的28 mm增大至重構后的86.5 mm。重構設計在保證行駛平順性的前提下提高了越障能力。

2.3"動力耦合設計

機架桿重構設計引入新的自由度，為保持閉鏈腿機構原有的單動力和高剛度優勢，設計動力耦合機構將重構動力與行走動力耦合，使單動力驅動的閉鏈腿機構兼顧支撐平直度和抬腿跨越度。筆者利用間歇機構的周期性運動和停歇，實現腿組的動力耦合和足端軌跡耦合：在支撐相和擺動相階段間歇機構的主動件與從動件脫離接觸，不產生運動，桿件長度不變，以保障行駛平順性和越障穩定性；在過渡階段間歇機構主動件與從動件相接觸激活機構運動，通過間歇機構與可重構桿件的配合運動將桿件長度調整至所需尺寸，保障越障通過性。

本文采用不完全齒輪間歇機構實現重構和行走的動力耦合，不完全齒輪機構具體設計要求如下：①為避免根切，齒輪的齒數不小于17；②齒輪的模數、壓力角、齒根高、齒頂高系數等盡量采用國家標準。

行走機構的曲柄轉動一周，對應的足端點軌跡包含支撐相階段、擺動相階段、過渡階段1、過渡階段2，基于足端軌跡在各個階段連接位置的平順性分析不同階段對應的曲柄相位區間，設計不完全齒輪，如圖8所示。

繪制并分析足端軌跡曲線得到曲柄的相位間隔為40°。足端軌跡區間轉換時，足端軌跡斜率沒有突變，2個階段之間的軌跡連接平順，因此機架長度調整對應的曲柄轉動相位間隔為40°，足端軌跡不同階段對應的曲柄轉角相位區間如表3所示。

由機架長度調整區間可知，在不完全齒輪傳動過程中，主動輪旋轉40°，從動輪需旋轉180°，因此齒輪組的傳動比為4.5，通過設計計算得出不完全齒輪的參數，如表4所示。

綜上所述，動力耦合具有以下特性：①動力耦合包含4個階段；②調節動力具有間歇特性；③動力的調節時間節點及時長滿足重構要求。動力耦合的設計方案如圖9所示，行走動力輸出齒輪為普通漸開線齒輪，重構輸出齒輪組中的主動齒輪為不完全齒輪（與行走機構中的普通漸開線齒輪固連），被動齒輪為普通漸開線齒輪（與可變機架中的曲柄相連）。

上述重構方案設計的本質為通過調節機架的長度來調整足端軌跡，即對機架引入等效移動副來代替固定長度的原始鏈路。移動副與轉動副進行動力耦合的難度較大，因此將曲柄滑塊機構作為等效移動副來代替原始機架，將用于機架重構調整的直線驅動替換為回轉驅動。采用不完全齒輪機構將重構曲柄的轉動與行走曲柄的轉動耦合，避免增加額外的輸入動力，如圖10所示。不完全齒輪間歇機構和動力耦合設計的核心優勢是將足端軌跡的支撐相和跨越相拆分?？缭较酄顟B下，不完全齒輪機構處于激活狀態，實現腿部重構，增大抬腿高度；支撐相狀態下，不完全齒輪處于非激活狀態，一體化重構閉鏈腿機構完全等效于六桿閉鏈腿機構，保證了機構的承載能力。

基于拉格朗日方程建立雙足模塊的動力學模型，如圖11所示，對曲柄轉動頻率1 Hz下的空轉工況關節力進行仿真分析，結果如圖12所示；對曲柄轉動頻率1 Hz下的接地行走工況的關節力和足端接觸力進行仿真分析，結果如圖13、圖14所示。

3"越障仿真分析

3.1"垂直障礙越障分析

垂直障礙（垂直墻）作為典型障礙，是多足行走系統在保證運載平順性的基礎上需要克服的主要障礙［32-34］，因此對由一體化重構閉鏈腿機構組成的四雙足步行平臺進行垂直障礙越障策略的仿真分析。在整機布局層面，首先采用1個雙出軸減速電機連接左右兩側單腿（對應曲柄的相位差為180°），組成雙足模塊；然后將4個雙足模塊集成在機身上，構成四雙足步行平臺，如圖15所示。

四雙足步行平臺的越障過程分析可等效為單側四足即行走模塊1和行走模塊2的越障分析。每個行走模塊均由常規單腿和重構單腿組成。將攀爬垂直墻的越障過程分為圖16所示的5個狀態：狀態1，整機接近障礙，行走模塊1進入越障周期；狀態2，行走模塊1的重構單腿踏上垂直墻面，常規單腿處于騰空狀態；狀態3，行走模塊1的常規單腿踏上垂直墻面，重構單腿處于騰空狀態；狀態4，行走模塊2的重構單腿踏上垂直墻面，常規單腿處于騰空狀態；狀態5，整機繼續行進，直至行走模塊2完全踏上垂直墻面，完成整個越障過程。

利用Adams仿真軟件進行75 mm垂直障礙的攀爬仿真，基于仿真結果得到的整機質心的波動曲線（圖17），單個模塊的越障功率如圖18所示。

此外，通過越障概率模型［20］評估所設計腿的越障綜合指標，繪制雙腿機構跨越區間，如圖19所示，其越障概率密度為g（x）=1/（x1－x0）""x0≤x≤x10其他（10）

越障概率為

P（Y≥h）=P（x2≤x≤x3）=∫x3x21x1－x0dx=x3－x2x1－x0（11）

采用最小二乘法進行多項式逼近得到跨越軌跡擬合函數，計算得出越障期望值為54.3 mm。

3.2"縱坡仿真分析

將縱坡障礙攀爬過程分為4個狀態：狀態1，整機接近障礙，行走模塊1進入越障周期；狀態2，行走模塊1的重構單腿踏上坡面，所有單腿輪換支撐地面行走；狀態3，行走模塊2的重構單腿踏上垂直墻面，所有單腿輪換支撐地面行走；狀態4，整機繼續行進，直至行走模塊2完全踏上坡面，完成整個越障過程。利用Adams仿真軟件進行30°縱坡攀爬仿真，根據整機不同模塊分別踏上障礙的順序，越障過程的4個狀態如圖20所示。

基于縱坡障礙攀爬的仿真結果，得到縱坡障礙攀爬過程中整機質心波動，如圖21所示，單個模塊最大爬坡功率為6.6 W，如圖22所示。

4"樣機與試驗

對一體化重構腿機構進行三維模型設計，并以四雙足布局模式搭建平臺整機模型。根據仿真分析中的數據對電機進行選型，同時對電池、控制板、滑軌等外購件進行選型并設計控制系統，設計機械零件并加工組裝出一體化重構閉鏈雙足模塊。每個雙足模塊包含1個重構腿機構和1個常規腿機構，4個雙足模塊裝配在同一機身，構成一體化重構閉鏈步行平臺樣機，如圖23所示。基于行走和重構動力的耦合設計，平臺整機采用4套由60系列閉環步進電機、行星減速器（PX57標準系列減速器，減速比40∶1）組合而成的減速電機。驅動控制系統中，驅動器為HB808C數字式混合伺服驅動器，控制器采用具有藍牙模塊的ESP32芯片。動力系統由2塊電壓24 V、容量2200 mA·h的TCB航模電池串聯組成。一體化重構閉鏈步行平臺樣機參數如表5所示。

針對一體化重構閉鏈步行平臺樣機，搭建75 mm垂直障礙和30°縱坡試驗場景開展攀爬試驗，如圖24、圖25所示。根據越障策略，在越障過程中，通過4個雙腿單元的輪換支撐和騰空實現完整的垂直障礙和縱坡障礙攀爬。樣機完成了75 mm垂直障礙和30°縱坡的穩定攀爬，驗證了重構設計的合理性與越障策略的可行性。此外，還開展了直行加速和轉向試驗，加速5 s即可達到最大行駛速度2.3 m/s，并實現了零半徑轉向。垂直越障和縱坡攀爬過程中，單電機功率曲線如圖26所示。重構前后的越障參數對比如表6所示，重構閉鏈腿機構越障性能為38%，明顯優于Chebyshev機構的26.3%、Klann機構的10.22%和Jansen機構的5%。

5"結論

1）基于Watt型閉式運動鏈設計出一體化重構單閉鏈腿機構，利用不完全齒輪傳動機構實現了行走和重構的動力耦合。

2）對一體化重構閉鏈單腿機構、整機重構策略和整機越障概率的分析表明，重構后的閉鏈腿機構有效提高了步行平臺的越障能力。

3）設計了雙足模塊，搭建四雙足步行平臺樣機進行了縱坡和垂直墻攀爬試驗。試驗結果表明重構后的步行平臺可完成75 mm垂直墻和30°縱坡的攀爬，較重構前的25 mm垂直障礙、20°縱坡，攀爬性能分別提高200%和50%，且重構閉鏈腿機構越障性能（越障高度/腿長）達到38%，越障性能優于常規閉鏈腿機構。

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（編輯"張"洋）

作者簡介：

趙順卿，男，1990年生，博士研究生。研究方向為機器人機構學。E-mail：22110401@bjtu.edu.cn。

武建昫*（通信作者），男，1989年生，副教授、博士研究生導師。研究方向為機器人機構學。發表論文25篇。E-mail：wujx@bjtu.edu.cn。

本文引用格式：

趙順卿，翁銘澤，武建昫，等.一體化重構閉鏈腿機構的設計與越障性能分析［J］. 中國機械工程，2025，36（1）：47-58.

ZHAO Shunqing， WENG Mingze， WU Jianxu， et al. Design and Obstacle-surmounting Performance Analysis of an Integrated Reconfigurable Closed-chain Leg Mechanism［J］. China Mechanical Engineering， 2025， 36（1）：47-58.

收稿日期：2023-09-16""修回日期：2024-09-03

基金項目：國家自然科學基金（52205007）；中央高校基本科研業務費專項資金（2024JBZY005）