足式教學(xué)機(jī)器人的模塊化設(shè)計(jì)

陳鳴暉，錢 樺，吳 健

（北京林業(yè)大學(xué)，北京 100083）

0 引言

近年來，教學(xué)機(jī)器人得到了越來越多的關(guān)注，越來越多的公司和研究者開始探索和研究教學(xué)機(jī)器人的開發(fā)。而現(xiàn)有的教學(xué)機(jī)器人價(jià)格昂貴、模塊化程度低、維修困難。因此，需要結(jié)合現(xiàn)有教學(xué)機(jī)器人的特點(diǎn)，對其進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，為機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室提供一套適合教學(xué)和開展競賽活動的機(jī)器人平臺，以供教學(xué)和有興趣的同學(xué)使用［1－3］。

教學(xué)機(jī)器人一般有輪（履）式、足式等基本結(jié)構(gòu)。輪（履）式結(jié)構(gòu)主要有移動式底盤，能完成循線、避障等功能，可用于機(jī)器人競賽類項(xiàng)目。足式機(jī)器人主要進(jìn)行行走、爬行和舞蹈表演等項(xiàng)目，可用于機(jī)器人興趣性教學(xué)。本文根據(jù)模塊化設(shè)計(jì)的原則對足式教學(xué)機(jī)器人進(jìn)行了模塊劃分和模塊化設(shè)計(jì)，組合構(gòu)成了單足、雙足及多足的足式機(jī)器人，使之能適應(yīng)不同的教學(xué)環(huán)境，完成多變的動作任務(wù)。

1 模塊化設(shè)計(jì)的基本方法及設(shè)計(jì)原則

1.1 模塊化設(shè)計(jì)的基本方法

模塊化設(shè)計(jì)包括劃分模塊和模塊組合。模塊化機(jī)器人的基本單元就是模塊，因此模塊化設(shè)計(jì)的前提與基礎(chǔ)就是應(yīng)合理的劃分模塊。模塊劃分的基本思路為：遵循模塊劃分的原則，按照不同的類型將機(jī)器人劃分為幾個部分，并進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，類聚成模塊。模塊化設(shè)計(jì)流程如圖1所示［4］。

圖1 模塊化設(shè)計(jì)流程圖

1.2 教學(xué)機(jī)器人模塊設(shè)計(jì)原則

由于教學(xué)機(jī)器人的主要功能是教學(xué)和競賽，需要面對不同的用戶群，因此對教學(xué)機(jī)器人模塊的設(shè)計(jì)因遵循以下原則［5］：①為簡化教學(xué)機(jī)器人系統(tǒng)的復(fù)雜程度，應(yīng)盡量減少模塊數(shù)量；②力求以最少的模塊獲得最多的機(jī)器人結(jié)構(gòu)，滿足教學(xué)需求；③不同模塊之間的連接簡單、方便、可靠；④各模塊所具備的功能有各自的特點(diǎn)，用戶可以較方便地進(jìn)行選擇。

2 機(jī)器人結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

在模塊化系統(tǒng)中，各模塊須有標(biāo)準(zhǔn)接口，能通過多種方式自由組合構(gòu)成產(chǎn)品。因此需要統(tǒng)一足式教學(xué)機(jī)器人結(jié)構(gòu)件中的板厚，以及連接處的孔間距和孔徑，構(gòu)成模塊的標(biāo)準(zhǔn)接口。

2.1 本體材料選擇及板厚的確定

根據(jù)教學(xué)機(jī)器人大小尺寸的限定，該機(jī)器人應(yīng)輕便易攜，為使零件具有較好的強(qiáng)度和剛度，金屬零件材料選用6061硬質(zhì)鋁合金。根據(jù)6061板材規(guī)格，在滿足強(qiáng)度要求的基礎(chǔ)上應(yīng)盡可能地減少零件質(zhì)量，故該機(jī)器人所有零件的板厚確定為2mm。

2.2 孔間距和孔徑

該教學(xué)機(jī)器人金屬零件上分布有多個Φ3的螺孔，用于安裝采購來的傳感器；還有幾個Φ8的孔，用于安裝軸承。板上的孔間距均為14mm，統(tǒng)一的孔間距方便各模塊之間的連接。

3 足式教學(xué)機(jī)器人模塊化設(shè)計(jì)

教學(xué)機(jī)器人以雙足和多足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)為主進(jìn)行設(shè)計(jì)，能滿足一般的教學(xué)需要，如進(jìn)行舞蹈、行走、爬行等表演或競賽。

3.1 模塊劃分

雙足和多足機(jī)器人均由各關(guān)節(jié)之間的協(xié)調(diào)運(yùn)動來驅(qū)動機(jī)器人，因此足式機(jī)器人可劃分為功能模塊和輔助模塊。通過功能模塊之間的配合構(gòu)成各種關(guān)節(jié)，由輔助模塊將各關(guān)節(jié)連接成一個整體。

3.1.1 功能模塊

功能模塊是在多功能支架上安裝一個舵機(jī)，再搭配一個U型架，每個功能模塊都有一個自由度。功能模塊的作用就是提供一個旋轉(zhuǎn)自由度，用功能模塊可以滿足各種關(guān)節(jié)機(jī)器人對自由度的需求。各功能模塊通過多功能支架上的孔將兩個功能模塊連接在一起，形成一個具有兩自由度的模塊，如圖2所示。通過功能模塊和其他模塊的配合，完成自由度的累積，搭建一個多自由度的步行機(jī)器人。

3.1.2 輔助模塊

輔助模塊的作用是連接功能模塊構(gòu)成的各關(guān)節(jié)。該模塊由一字型支架連接兩個U型梁組成，它可以將累積起來的相互獨(dú)立的各功能模塊連接在一起，如圖3所示。使用者可以根據(jù)自己的需求搭建不同的輔助模塊。

圖2 功能模塊連接示意圖

圖3 輔助模塊的類型

3.2 雙足機(jī)器人構(gòu)型與方案確定

雙足機(jī)器人設(shè)計(jì)的目的是應(yīng)具有步行、舞蹈等功能。機(jī)器人每條腿上都設(shè)置有踝、膝、髖3個關(guān)節(jié)，此3個關(guān)節(jié)對穩(wěn)定步態(tài)的實(shí)現(xiàn)是必要的。在雙足機(jī)器人的行走過程中，由髖關(guān)節(jié)驅(qū)動腿部擺動，實(shí)現(xiàn)邁步使機(jī)器人前傾或后仰，起輔助平衡的作用。踝關(guān)節(jié)則與髖關(guān)節(jié)配合完成機(jī)器人的移動過程，并調(diào)節(jié)地面與機(jī)器人腳底板的接觸狀態(tài)。膝關(guān)節(jié)用于調(diào)節(jié)機(jī)器人的重心，并根據(jù)地形改變其落地高度，使得機(jī)器人腳底板與地形適應(yīng)。雙足機(jī)器人設(shè)計(jì)要求見表1。

表1 雙足機(jī)器人設(shè)計(jì)要求

為了使雙足機(jī)器人能完成各種演示動作，要求雙足機(jī)器人應(yīng)具有一定數(shù)量的自由度。雙足機(jī)器人的自由度是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，其數(shù)目應(yīng)與目標(biāo)任務(wù)相匹配。從仿生學(xué)的角度看，在踝部和髖部各設(shè)2個自由度，機(jī)器人可以在平整的地面上站立，如果在髖部增加1個豎直方向的扭轉(zhuǎn)自由度，則能使機(jī)器人具備改變行走方向的能力；此外，在踝關(guān)節(jié)處增加1個自由度可使機(jī)器人在不平整的表面上落地；另外膝關(guān)節(jié)還有1個自由度，則共需要有7×2個自由度。但本文涉及的雙足機(jī)器人的行走環(huán)境較為良好，路面平整，因此腿部采用5×2個自由度。其中，髖部4個自由度，膝關(guān)節(jié)2個自由度，踝部4個自由度。此外，頭部1個自由度，手臂4個自由度，肩部2個自由度，總共17個自由度。本文雙足機(jī)器人采用多關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)平地前后行走、舞蹈等演示功能。雙足機(jī)器人模塊化構(gòu)型如圖4所示。

圖4 雙足機(jī)器人模塊化構(gòu)型

3.3 多足機(jī)器人構(gòu)型與方案確定

以四足機(jī)器人為例設(shè)計(jì)多足機(jī)器人，可完成爬行、越障等功能。四足機(jī)器人采用3個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的RRR機(jī)構(gòu)，分為大腿（b桿）、小腿（c桿）與髖關(guān)節(jié)（a桿）三部分。大腿和小腿在同一個平面內(nèi)運(yùn)動，小腿可繞B點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，大腿繞A點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，控制整條腿的抬落運(yùn)動；再由髖關(guān)節(jié)繞O點(diǎn)旋轉(zhuǎn)帶動大腿和小腿一起做空間運(yùn)動，如圖5所示。通過四足之間的協(xié)調(diào)運(yùn)動，使機(jī)器人完成行走步態(tài)。

圖5 四足機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)簡圖

表2為四足機(jī)器人設(shè)計(jì)要求。四足機(jī)器人由軀體和4條腿構(gòu)成，每條腿都有3個自由度。其4條腿對稱分布在軀體兩側(cè)，重心與其幾何中心重合。四足機(jī)器人移動時，一般可以有2條或3條腿著地，支撐面較大，基本可以完成靜態(tài)步行，即在移動時機(jī)器人的重心始終落在支撐面內(nèi)。四足機(jī)器人構(gòu)型如圖6所示。

表2 四足機(jī)器人設(shè)計(jì)要求

圖6 四足機(jī)器人構(gòu)型

4 結(jié)論

本文提出了足式教學(xué)機(jī)器人的模塊化設(shè)計(jì)方法，包括零件設(shè)計(jì)、材料選取及可重構(gòu)實(shí)現(xiàn)。依據(jù)本套模塊化設(shè)計(jì)的組件，可以完成單足、雙足及多足的多款足類機(jī)器人的搭建，使之能適應(yīng)不同的教學(xué)環(huán)境，完成多變的動作任務(wù)，從而激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力以及對機(jī)器人知識的濃厚興趣和熱情。該模塊化設(shè)計(jì)易于學(xué)生搭建、功能強(qiáng)大、通用性強(qiáng)、制造簡單、成本低廉、便于拆卸，有利于學(xué)生對基本的機(jī)構(gòu)原理的理解，為學(xué)生提供了具有開放式特征的實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)平臺。

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［5］王日君，張進(jìn)生，葛培琪，等.模塊化設(shè)計(jì)中模塊劃分方法的研究［J］.組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2008（7）：17-21.