兩足步行機(jī)器人設(shè)計(jì)

左其波　王春玲　歐陽常童

摘要：近年來，機(jī)器人被越來越多的人所熟知，伴隨著兩足步行機(jī)器人研究技術(shù)的迅速發(fā)展。目前，機(jī)器人行走的方式很多，比如用輪式和履帶式行走實(shí)現(xiàn)行走功能。但真正能夠用腿步行機(jī)器人還是空谷足音。因此，對(duì)于兩足步行機(jī)器人研究逐漸成為人們的熱點(diǎn)。本課題首要針對(duì)兩足步行機(jī)器人穩(wěn)定的行走所需要的配置。

關(guān)鍵詞：兩足步行機(jī)器人；設(shè)計(jì)；制作

中圖分類號(hào)：TP24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）09-0104-02

機(jī)器人也是最近幾十年發(fā)展起來的一門新學(xué)科，歷史不久，但由于他的模仿人類能力強(qiáng)，適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，吸引了全球各國科學(xué)人員的濃厚興趣。由于現(xiàn)在的機(jī)器人依靠履帶和輪式來進(jìn)行移動(dòng)，首先要想研究設(shè)計(jì)兩足步行機(jī)器人，先應(yīng)該對(duì)機(jī)器人的整體有一個(gè)比較深的認(rèn)識(shí)。由于兩足步行機(jī)器人要完全模擬人類的應(yīng)該有的動(dòng)作（上下樓梯，轉(zhuǎn)彎動(dòng)作，在不規(guī)則的地面上行走等），本文從以下幾個(gè)方面鉆研機(jī)器人的步行功能。

1 目標(biāo)設(shè)定

研究步行機(jī)器人的難點(diǎn)首要表現(xiàn)在兩足步行機(jī)器人具有多種關(guān)節(jié)，多個(gè)驅(qū)動(dòng)器，多個(gè)自由度的特點(diǎn)；而且自由度的設(shè)計(jì)，各關(guān)節(jié)的活動(dòng)直接影響機(jī)器人的外觀、步行方式、活動(dòng)范圍的大小等。我們?nèi)祟愋凶邥r(shí)的主要過程：有左右腿相互交替邁腿，收腿，達(dá)到向前步行的目的，主要需要七個(gè)過程。它的基本要求體系穩(wěn)定性要好。

我們所研究的這款機(jī)器人不但能滿足在不規(guī)則的地面行走還能進(jìn)行轉(zhuǎn)彎的穩(wěn)定操作。因此，我們對(duì)機(jī)器人的關(guān)節(jié)、高度、自由度的設(shè)置要求必須是非常的嚴(yán)格。要想設(shè)計(jì)出這款機(jī)器人對(duì)我們的難度也是挺大的。

2 自由度的配置

自由度兩足機(jī)器人如果要完成一些關(guān)于和人類相似的行為動(dòng)作，那么它一定要有和人類相似的自由度。人類有上百個(gè)自由度和關(guān)節(jié)，所以對(duì)于機(jī)器人關(guān)節(jié)的選擇，自由度的選擇是至關(guān)重要的。

2.1 關(guān)節(jié)的確定

機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)關(guān)鍵之一是關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)，在現(xiàn)實(shí)生活中，科研人員常常按照研究的需求來設(shè)計(jì)機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和自由度的配置。自古以來人類行走時(shí)手腳同時(shí)并用，而且肩膀和腰部也是不停地轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)步行。在我們快要摔倒的時(shí)候，我們可以利用腳掌出力，腳趾壓住地面，就可以保持身體的穩(wěn)定。要做到這一系列對(duì)于機(jī)器人來說是相當(dāng)困難。我們發(fā)現(xiàn)機(jī)器人即便沒有腳趾，行走時(shí)也是沒有影響的，如果加上腳趾的話將使機(jī)器人結(jié)構(gòu)變得很復(fù)雜，增加控制難度。所以，目前我們只研究機(jī)器人行走時(shí)最基本且必要的關(guān)節(jié)，結(jié)果表明：機(jī)器人至少有髖、膝、踝三個(gè)關(guān)節(jié)。因?yàn)檫@三個(gè)關(guān)節(jié)是實(shí)現(xiàn)兩足步行機(jī)器人行走的主要原因，使得機(jī)器人穩(wěn)定步行才成為可能。這三個(gè)關(guān)節(jié)對(duì)于穩(wěn)定的行走來說是不可缺少，雖然它們擔(dān)任著不同的工作，但它們?cè)谏眢w中起著緊密聯(lián)系的作用，和我們的人體系統(tǒng)一樣，缺一不可。在它們對(duì)機(jī)器人在步行過程中分別起到輔助平衡作用、實(shí)現(xiàn)支撐髖關(guān)節(jié)作用、實(shí)現(xiàn)邁步并使上軀體運(yùn)動(dòng)以及調(diào)整腳掌與地面的接觸狀況，以至于達(dá)到維持機(jī)體的穩(wěn)定性。

2.2 自由度的確定

根據(jù)科研人員的研究報(bào)告，我們也得出了機(jī)器人最低限度下的自由度配置，應(yīng)該還要在髖部和踝部各設(shè)置兩個(gè)自由度，使得機(jī)器人可以在不平整的地面上站立以及步行。而要使得方便的上下臺(tái)階，只需要在膝關(guān)節(jié)上的一個(gè)自由度。因此，我們基本上可以設(shè)計(jì)一個(gè)完整的腿部，它每條腿上的自由度配置的要求是七個(gè)自由度。

考慮到兩足步行機(jī)器人不僅能夠可以完成走直線的目標(biāo)，而且還能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎的動(dòng)作，所以我們將在頸部設(shè)計(jì)一個(gè)扭轉(zhuǎn)自由度，還需要在頭部增加一個(gè)前后向自由度并且要安裝一個(gè)攝像頭，使得機(jī)器人在頭部自由度的作用下具有更大的掃描范圍。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 布置對(duì)稱性

結(jié)構(gòu)對(duì)稱對(duì)機(jī)器人研究來說也是關(guān)鍵的。就像人體一樣，每個(gè)肢體關(guān)節(jié)都是對(duì)稱的，使我們的重量達(dá)到平衡，維持身體的穩(wěn)定性。對(duì)于兩足步行機(jī)器人來說，也是這樣的，我們主要研究機(jī)器人的腿部，故機(jī)器人的腿部的對(duì)稱變得相當(dāng)重要了。我們會(huì)按照這一點(diǎn)，對(duì)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就會(huì)采取對(duì)稱性布置的方式來進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.2 驅(qū)動(dòng)方案比較與電機(jī)布置

眾所周知，機(jī)器人體積不能過于大，整個(gè)機(jī)體更不能太笨拙。由于現(xiàn)在的技術(shù)水平，機(jī)器人常用的驅(qū)動(dòng)方式有三種基本類型方式，分別是液壓驅(qū)動(dòng)，氣壓驅(qū)動(dòng)和電動(dòng)驅(qū)動(dòng)。液壓驅(qū)動(dòng)是一種成熟的技術(shù)，它的特點(diǎn)是功率大、成本高、結(jié)構(gòu)簡單，可以省空間，還有易于實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)；氣壓驅(qū)動(dòng)具有運(yùn)行速度快、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、所需材料價(jià)格低、媒介無污染等特點(diǎn)，但該驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)伺服控制過于困難。不僅如此，這兩種驅(qū)動(dòng)方式其他方面的有缺點(diǎn)，操作起來不是特別好。然而電機(jī)驅(qū)動(dòng)就不同于他們，它的成本低、精度高、安全性好、而且不需要轉(zhuǎn)換能量，控制起來方便靈活?，F(xiàn)在機(jī)器人中電動(dòng)驅(qū)動(dòng)被廣泛的選用舵機(jī)是一種形式獨(dú)特的電機(jī)，舵機(jī)具有體積結(jié)構(gòu)密集可以便于安放輸出力矩，還具有穩(wěn)定性好，控制方便等特點(diǎn)，也就使得對(duì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)的控制變得簡單起來，而且也降低了制造機(jī)器人的本錢。舵機(jī)主要由如下的部件組成：外殼、電路板、無核心馬達(dá)、齒輪與位置檢測器、直流機(jī)等。那么信號(hào)是怎么控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)呢？舵機(jī)幾乎都有最大旋轉(zhuǎn)角度，與普通電流電機(jī)的不同的一面是直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方式是一圈一圈的，而舵機(jī)只能以角度為界限伴隨轉(zhuǎn)動(dòng)著，不能和直流電機(jī)一圈一圈的轉(zhuǎn)動(dòng)著，因此，舵機(jī)可以通過轉(zhuǎn)動(dòng)的角度來反饋信息并且?guī)?dòng)反饋電位計(jì)的位置，從而達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的目的，進(jìn)而又減少了購買設(shè)備的成本。

機(jī)體各部分的比例與人體比例差不多，對(duì)于空間的要求就很高，大部分元器件都放入機(jī)器人軀干內(nèi)部也是一件不可能的事，由于機(jī)器人內(nèi)部空間有一定的限度，同時(shí)頭部和肩部的也需要有共同放置空間。此外，機(jī)器人的控制一些計(jì)算機(jī)等控制器元件也要占用軀干內(nèi)部空間的一部分。所以，在設(shè)計(jì)時(shí)，所附帶的驅(qū)動(dòng)器等盡可能放置在下肢剩余的空間里面。這樣一來，設(shè)計(jì)的不但符合人體尺寸比例，而且也有利于減小腿部的慣量，從而達(dá)到減小能量損耗的目的，而且保持了自身的穩(wěn)定性。

3.3 減震性問題

人類的關(guān)節(jié)是由我們的肌肉保護(hù)著，當(dāng)我們的關(guān)節(jié)接觸到地面時(shí)，可以起到一定的減震作用，避免的過重的傷害。因此，減震器對(duì)于機(jī)器人來說是必不可少的，選擇什么樣的減震器也成了我們所要探究的問題。經(jīng)過一番研究查詢資料，我們決定使用諧波減震器。

4 結(jié)語

本文課題的研究任務(wù)主要是設(shè)計(jì)兩足步行機(jī)器人適應(yīng)在不平穩(wěn)的，有障礙的以及地面行走方案，以及會(huì)轉(zhuǎn)彎，可以實(shí)現(xiàn)更多的仿人工作。根據(jù)對(duì)兩足機(jī)器人的研究，并對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，我們基本上可以確定該機(jī)器人所需要的關(guān)節(jié)的類型、自由度的配置，減震器的選擇。并且將這三種驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行了比較，最終我們選擇了舵機(jī)作為動(dòng)力源。

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