機器人足式行走機構技術淺析

楊喜飛

摘 ?要：本文就機器人足式行走機構的機械足的布置及數(shù)量設置、機械足的腿桿結構設計、機械足的足底設計、足式行走機構的復合設計等方面的技術進行了介紹和分析，并提出了部分設計原則，為機器人足式行走機構的設計提供參考。

關鍵詞：機器人;行走機構;足式

前言

近年來，對移動機器人的研究受到重視，仿照生物的功能而發(fā)明的各種移動機器人越來越多，小到娛樂機器人玩具、家用服務機器人，大到工程探險、反恐防爆、軍事偵察機器人等，人們已經(jīng)清楚地體會到地面移動機器人作為移動機器平臺的優(yōu)越性。相應地，這些領域對所應用的移動機器人系統(tǒng)也提出了更高的要求，特別是在機器人的運動速度、靈活性、自主性、作業(yè)能力等方面的要求越來越高[1]。

足式機器人是基于仿生學、機械設計、控制理論和人工智能等多學科交叉的一種特殊的移動機器人。與輪式和履帶式爬壁機器人相比，腿足式爬壁機器人具有較強的越障能力和靈活性，因此近年來受到國內外學者的廣泛關注 [2]。本文就機器人足式行走機構的一些關鍵技術進行了技術優(yōu)劣性分析，并提出了部分設計原則，為機器人足式行走機構的設計提供參考。

一、機械足的布置及數(shù)量設置

機械足的布置與機器人的行走穩(wěn)定性相關，且設置方式均為周向均勻布置或左右對稱布置，除了遵循仿生設計的原則外，在布置雙數(shù)足時，還應至少沿機器人行走方向對稱布置，圖1。這樣才能在行走的過程當中，確保機器人的穩(wěn)定性。

而關于機械足的設置數(shù)量，同樣與機器人的行走穩(wěn)定性相關，通常來說，支撐點越多，機器人的穩(wěn)定性和越障性能就越好。人和動物的運動能力和執(zhí)行指定任務的能力是移動機器人追求的目標，因此就機器人仿生原型來看，主要有二足、四足、六足3 種主流型號[1]，其中二足多為仿人機器人，其靜態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定性均比較差，對于機器人結構設計（如重心位置等）和運動控制算法的要求非常高，另外，對于機械足的自由度要求也較高;四足和六足均為仿四足動物，其靜態(tài)穩(wěn)定性和動態(tài)穩(wěn)定性較好，但對于多足的協(xié)同運動控制算法的要求較高。

二、機械足的腿桿結構設計

機械足的腿桿自由度的設計與機器人的行走越障性能相關，通常來說，機械足的自由度越多，其越障性能越好，但其關節(jié)的協(xié)同控制難度則越高。目前多數(shù)通過旋轉和伸縮關節(jié)來實現(xiàn)機械足的多個自由度配置，其中伸縮關節(jié)也可以用于實現(xiàn)機械足尺寸的調整。如二足的擬人腿，單個腿具備7-9個自由度，而四足和六足機器人單個機械足往往具備2-3個自由度。

另外，機械腿桿的驅動布置對于機械足的靈活性也有較大影響。聯(lián)動驅動和獨立驅動兩者驅動布置是目前較為常見的驅動方式。聯(lián)動驅動是指多個足或關節(jié)共用同一個動力源，通過傳動裝置實現(xiàn)聯(lián)動，這種驅動方式，控制系統(tǒng)簡單，運動形式單一;獨立驅動是指每個足的每個關節(jié)均設置一一對應的驅動裝置，能夠實現(xiàn)復雜的運動形式，但關節(jié)之間的協(xié)同控制難度大，控制和驅動系統(tǒng)成本較高。

在機器人的行走過程中，由于機械足與地面接觸，產(chǎn)生的較大的振動，影響機器人的動態(tài)平衡，因此，往往需要在機器人上設置減震裝置，根據(jù)振動的傳遞路徑，減震裝置通常設置在機器人本體和機器人腿桿上，而常見的腿桿減震裝置包括套設在腿桿上的減震彈簧、作為支撐腿桿件的減震氣缸、足底設置的減震墊等，其中在足底設置的減震墊或在腿桿上套設減震彈簧的方式，技術簡單、成熟、成本低廉，但減震效果一般;而將支撐腿桿件設置為減震氣缸，減震范圍大，減震效果好，但對氣缸系能要求較高，技術成本高。

三、機械足的足底設計

目前，對于機械足的足底設計在二足仿人機器人中考慮的比較多，在其他多足機器人中則考慮的較少。隨著多足機器人應用場景的擴展，如用于在墻體或壁面上爬行（如在船體表面進行焊縫檢測等），通過對機械足的足底的特殊設計來實現(xiàn)，如將機械足的足底設計為真空吸附和磁吸附的足底結構，由于這種吸附式足底設計，極大的增強了機器人的靜態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定性，因此，能夠有效減少機械足腿（如減少腿桿自由度，省去減震裝置等）、機械足數(shù)量和布置（如減少機械足的數(shù)量等）方面的限制，但這種吸附式足底受其應用場景的局限比較大。

四、足式行走機構的復合設計

雖然，足式行走機構具備運動性能和越障性能好的特點，但在現(xiàn)有技術條件下其行走穩(wěn)定性差、運動速度和效率底的缺點仍然比較突出。因此將機械足與其他行走機構，如輪式或履帶式行走機構結合，形成復合式行走機構也被越來越多的研究。

將足式行走機構與其他行走機構復合式，通常采取如下種方式：

1）僅用于冗余支撐。即機械足不參與機器人正常的行走過程，僅在機器人特定情況（如越障時）下提供輔助支撐，以避免機器人發(fā)生傾倒。

2）作為機器人行走機構。即機械足參與機器人正常的行走過程，以提高機器人行走的適用環(huán)境。

小結

足式行走機構，具備較好運動能力和適應環(huán)境的能力，在未來具備廣闊的應用前景。本文對足式行走機構的部分關鍵技術進行了分析和介紹，可以看出，確保足式行走機構的動態(tài)行走穩(wěn)定性成為限制其實際應用的關鍵。

參考文獻

[1] ?王鵬飛，孫立寧，黃博.地面移動機器人系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與關鍵技術[J].機械設計，2006，23（7）：1-4.

[2] ?周友行，楊文佳，姜尚，章本毅.全氣動四足爬壁機器人步態(tài)規(guī)劃及吸附力試驗研究[J]. 機械設計，2016，33（12）：37-42.