基于并聯(lián)機(jī)械腿的六足機(jī)器人分析與設(shè)計(jì)

葉俊++吳宏熊++葉曉偉

摘 要

本文在簡要介紹了并聯(lián)機(jī)械腿與六足機(jī)器人的基礎(chǔ)上，對機(jī)器人整體及機(jī)械腿構(gòu)型進(jìn)行了分析，并重點(diǎn)闡述了基于并聯(lián)機(jī)械腿的六足機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)問題，希望能夠?yàn)橛嘘P(guān)人員提供參考。

【關(guān)鍵詞】并聯(lián)機(jī)械腿 六足機(jī)器人 設(shè)計(jì)

六足機(jī)器人是機(jī)器人中的一種主要類型，傳統(tǒng)六足機(jī)器人機(jī)械腿的設(shè)計(jì)往往采用串聯(lián)的形式來完成，由此導(dǎo)致的機(jī)器人或體型過于單薄或行動(dòng)不夠靈活的問題對設(shè)計(jì)水平的提高造成了嚴(yán)重阻礙，基于并聯(lián)機(jī)械腿的六足機(jī)器人的設(shè)計(jì)能夠有效解決這一問題。1 六足機(jī)器人與并聯(lián)機(jī)械腿

六足機(jī)器人是多組機(jī)器人中的一種，是以仿生學(xué)為基礎(chǔ)所設(shè)計(jì)的機(jī)器人形式，主要仿照蜘蛛的爬行方式所設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的履帶式機(jī)器人在崎嶇不平的路面行走時(shí)，很容易受到路面狀況的影響而出現(xiàn)行走不流暢的問題，六足機(jī)器人的出現(xiàn)使得這一問題得到了很好的解決，就目前的情況看，六足機(jī)器人的設(shè)計(jì)已經(jīng)成為了機(jī)器人領(lǐng)域的重點(diǎn)。

并聯(lián)機(jī)械腿是相對于串聯(lián)機(jī)械腿的一大概念，是多足機(jī)器人機(jī)械腿設(shè)計(jì)的一種主要方法，相對于傳統(tǒng)的以串聯(lián)為主的機(jī)械腿設(shè)計(jì)形式而言，有研究認(rèn)為，并聯(lián)機(jī)械腿在平衡性方面更好，同時(shí)也能夠達(dá)到行動(dòng)更加靈活的效果。

2 機(jī)器人整體及機(jī)械腿構(gòu)型分析

2.1 機(jī)器人整體構(gòu)型

六足機(jī)器人仿照六足動(dòng)物而設(shè)計(jì)，根據(jù)對六足動(dòng)物腿部結(jié)構(gòu)的觀察發(fā)現(xiàn)，一般存在兩種結(jié)構(gòu)，第一種結(jié)構(gòu)中，六條腿的自由度數(shù)量以及類型均相同，各條腿之間呈現(xiàn)復(fù)制關(guān)系；第二種結(jié)構(gòu)中，六條腿的結(jié)構(gòu)對稱相同。本文中六足機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)采用第一種構(gòu)型方式。六足動(dòng)物腿與軀干的連接點(diǎn)在軀干的布局形式主要包括兩種，一種為軸對稱布局，另一種為面對稱布局。其中，第一種情況下，六條腿均勻分布在軀干的各個(gè)方向，而第二種情況下，六條腿在分布在軀干的左右兩側(cè)。根據(jù)對力學(xué)理論等的考慮，決定將六足機(jī)器人的整體構(gòu)型選擇為軸對稱的方式。

2.2 機(jī)械腿整體構(gòu)型

六足機(jī)器人足的形式包括兩種：一種與地面之前采用點(diǎn)接觸的方式；第二種與地面之間采用面接觸的方式。兩種方式所遵循的力學(xué)原理不同，同時(shí)對于機(jī)械腿的要求也不盡相同。根據(jù)對力學(xué)等方面的數(shù)據(jù)的計(jì)算與分析，將機(jī)械腿的整體構(gòu)型確定為了2-UPS+UP的形式。

3 基于并聯(lián)機(jī)械腿的六足機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)

3.1 基于（U+UPS）P+UPS機(jī)構(gòu)的六足機(jī)器人設(shè)計(jì)

基于（U+UPS）P+UPS機(jī)構(gòu)的六足機(jī)器人的設(shè)計(jì)，其機(jī)械腿采用了軸對稱的布局方式，在這一布局方式的基礎(chǔ)上，六足機(jī)器人的每一條腿在軀干中都呈均勻分布，以此為基礎(chǔ)，完成了機(jī)器人的設(shè)計(jì)。

機(jī)器人主要包括7個(gè)組成部分，分別為控制計(jì)算機(jī)、軀干、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、機(jī)械腿連接器、機(jī)械腿、球面副與足。

（1）控制計(jì)算機(jī)，功能在于實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人行為的全面控制；

（2）軀干，是機(jī)器人的主要組成部分；

（3）伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，功能在于實(shí)現(xiàn)對六條腿的驅(qū)動(dòng)，以使機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)行走；

（4）機(jī)械腿連接器，功能在于將軀干、驅(qū)動(dòng)器以及計(jì)算機(jī)控制器三者與機(jī)械腿連接起來，以為上述三者對機(jī)械腿的共同控制成為可能。

（5）機(jī)械腿，功能在于在1、2、3的控制下，實(shí)現(xiàn)行走；

（6）球面副；

（7）表足。將6與7連接的目的在于使足能夠貼近地面，以保證機(jī)器人行走的穩(wěn)定性。

3.2 基于2-UPS+UP機(jī)構(gòu)的六足機(jī)器人試驗(yàn)樣機(jī)研制

在2-UPS+UP機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過對六足機(jī)器人各項(xiàng)參數(shù)的計(jì)算，最終研制出了具體的試驗(yàn)樣機(jī)，其構(gòu)成情況如圖1。

在試驗(yàn)樣機(jī)中，1代表軀干組件，組件中包括與軀干有關(guān)的眾多部件。2代表控制系統(tǒng)，即以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的，實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人行走以及行為方式的控制的核心系統(tǒng)，是機(jī)器人行走實(shí)現(xiàn)的主要保證。3代表機(jī)械腿連接架，功能在于將機(jī)械腿與核心部件以及軀干相連接。4代表驅(qū)動(dòng)通信組件；5、6、7分別代表機(jī)械腿、彈簧球面副和足。

通過將上述設(shè)計(jì)效果應(yīng)用與實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，該機(jī)器人在真正構(gòu)建完成之后，其結(jié)構(gòu)十分緊湊，因此不會(huì)出現(xiàn)串聯(lián)機(jī)械腿中六足機(jī)器人體型過于龐大的問題，實(shí)踐證明，及時(shí)在狹小的空間內(nèi)，該機(jī)器人也能夠靈活行動(dòng)。通過以并聯(lián)機(jī)械腿代替串聯(lián)機(jī)械腿的方法，使得該機(jī)械人的承載能力得到了極大程度的提高，通過實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，其承載力能夠得到150kg的標(biāo)準(zhǔn)。

由于機(jī)器人的核心控制系統(tǒng)處于軀干頂部，因此即使在穿越沼澤以及其他路況較差的區(qū)域時(shí)，其核心控制系統(tǒng)也不會(huì)被破壞，這對于機(jī)器人性能的保證具有極大的價(jià)值。通過藍(lán)牙通信的方式，工作人員還能夠利用平板電腦等設(shè)備，對機(jī)械人進(jìn)行自由的控制。

4 結(jié)論

相對于傳統(tǒng)的串聯(lián)機(jī)械腿而言，并聯(lián)機(jī)械腿具有行動(dòng)靈活且承載力強(qiáng)的特點(diǎn)，以此為基礎(chǔ)所設(shè)計(jì)的六足機(jī)器人，性能更加完善，因此，有必要將并聯(lián)機(jī)械腿應(yīng)用到六足機(jī)器人的設(shè)計(jì)過程中。需要注意的是，為保證設(shè)計(jì)效果，必須提高各項(xiàng)參數(shù)計(jì)算的準(zhǔn)確性，這樣才能使機(jī)器人各部分結(jié)構(gòu)功能得以正常發(fā)揮，同時(shí)能夠保證機(jī)器人各部分功能得到綜合，這對于其功能的實(shí)現(xiàn)十分重要。

參考文獻(xiàn)

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作者單位

1.武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖北省武漢市 430074

2.國網(wǎng)浙江省電力公司麗水供電公司 浙江省麗水市 323000