雙足機器人腿部的設計

【摘要】作為當代工、農業領域的新型設備，機器人的實用帶來個工農業的飛速發展，對其結構的設計的創新也在不斷發展，文章就雙足機器人腿部的運動進行了設計，提出了利用連桿曲線模擬人腳部的運動，并對多種雙足機器人機構進行了分析。

【關鍵詞】機器人；腿部；設計

當前，常見的機器人大多是通過輪子履帶進行移動的，這種機器人在光滑，微重力，以及不平整的路面很難發揮其移動迅速的優勢。所以，機器人正向著具有行走能力的方向發展，雙足機器人的應用范圍也越來越廣泛，目前，機器人技術比較成熟的應該是美國和日本。我國機器人研究起步較晚，約與20世紀70年代末、80年代初開始，以后的近10年中，在步行機器人、精密裝配機器人等國際前沿領域逐步縮小了與世界先進水平[1]。

現在，步行機器人正朝著智能化、高仿真的方向發展。2013年，日本本田工業技研公司研制的仿真機器人ASIMO，是至2013年最先進的仿人行走機器人。這款機器人模仿人類動作更精準。能跑，能跳，上下樓梯，動作十分靈巧。

本文設計了一種簡單的雙足機器人，采用連桿曲線模擬人行走時腳步的運動軌跡，運用單片機，步進電機來控制連桿機構，實現雙足的交替走動。

一、雙腿運動方案設計

為了實現機器人雙足的交替前進，首先進行了執行機構的設計，并對不同的機構進行了分析與比較：

（一）凸輪機構的分析

凸輪機構是機械中常見的一種機構，其最大優點是只要適當的設計出凸輪的輪廓曲線，就可以使推桿得到各種預期的運動規律[2]，凸輪機構控制機器人雙腿主要依靠兩個偏心輪偏心輪帶動雙腿交替的上下移動，使機器人向前行走。這種機構結構簡單可靠 ，造價低，容易控制。但是采用凸輪機構機器人移動的步伐較小，腳步抬起的高度較低，而且行走時身體會出現較大的晃動，不適合在多變的地面行走。

（二）舵機控制的分析

利用舵機控制機器人是目前常用的一種方法，其原理是利用舵機控制關節轉一定角度，達到兩腿交替向前運動。這種方法仿真程度高，雙腿變化多樣。舵機輸出扭矩大，可以承受較大的負載，而且抗抖動性好，電位器的線性度高達到極限位置也不會偏離目標。但是采用舵機控制，結構復雜，成本高，可靠性低，不易維修和保養。

（三）連桿機構的分析

連桿機構的應用十分廣泛，它步進在眾多工農業機械和工程機械中得到廣泛應用，而且諸如人造衛星太陽能板的展開機構、機械手的轉動機構、折疊傘的收放機構及人體假肢等也都有連桿機構。運用連桿機構控制機器人腿部，主要依靠連桿曲線，選取與人腳步運動一樣的曲線，利用步進電機帶動曲柄的轉動，連桿上的某一點受曲柄及要搖桿的約束會繪制出變化多樣的連桿曲線。利用連桿曲線來實現腿部的上下運動。連桿機構機中的運動副一般均為低副，其元素之間為面接觸，傳動時所受壓力較小，磨損亦相應減少：承載能力較大，潤滑好，磨損小，加工制造容易，易得到高精度。[3]且連桿機構中的低副一般是幾何封閉，對保證工作的可靠性有利。但是連桿機構易產生較大的誤差，機械效率低，不適于高速度運動。

（四）選定方案

考慮到本研究針對機械和電器類專業的結合，為了力求結構簡單，降低控制及機構的復雜程度，提高可操作性及成本，所以選擇穩定性與實用性較強的連桿機構。利用直流電機作為動力源，身體內安置電池盒，可安裝2節干電池，提供6V電壓，以保證機構的運轉。采用二級展開式齒輪傳動，通過減速器改變輸出的扭矩。

二、連桿機構的設計

（一）腿部的運動方式

人行走時腳部的運動如圖所示

不難發現其腳部的軌跡是類似面包型的曲線。

查連桿曲線圖譜可以發現，人行走時腳部的軌跡與單直線型連桿曲線類似，計算其比例，利用adams做出仿真。

（二）腿部結構的設計

將其與腿部鉸接在一起，便可以實現腿部的上下運動。采用兩個這樣的機構，便可以實現雙腿的交替抬起、前移。由于腿部只有一個轉動副的約束，所以腿部的運動會出現晃動。導致連桿曲線不能夠傳遞到腳部。為了解決這個問題，我們采取將腿部與身體用滑塊相連接，限制了轉動副的自由擺動，這樣便限制了腿部的擺動，能夠使連桿曲線完整的傳遞到腳部，完成所需要的運動。

運用兩個連桿機構，其曲柄初始相位差為180度便可以實現兩腿的交替上下運動。

三、行走效果與性能

在連桿機構與身體組裝好之后，在平整的路面進行行走測試，以驗證其行走效果是否滿足要求。

此次試驗中，雙腿運動比較和諧，可以穩定的前行。在行走過程中沒有出現停滯摔倒現象，證明連桿曲線的運動方式可行。

四、總結

通過運用有關機械、電氣的有關知識實現了電機及連桿系統間的協調配合。連桿式雙足機器人與傳統輪式和履帶式機器人相比，該機器人可以適應摩擦力較小的地面。組成的結構較為簡單，大幅度降低了制作成本；其次，該機器人可以增加靈活的手部機構，可以在光滑、微重力地面順利完成工作。目前機器人正代替人類完成許許多多工作，連桿式雙足機器人有廣闊的應用前景，相信在不遠的將來，連桿式雙足機器人會廣泛的應用在工業、農業生產中，使我們的工、農業飛速發展。

參考文獻

[1]劉極峰.機器人技術基礎[M].北京：高等教育出版社，2006：3.

[2]孫恒，陳作模，葛文杰.機械原理[M].北京：高等教育出版社，2006：151-152.

[3]華大年，華宏志.連桿機構設計與應用創新[M].北京機械工業出版社，2008：1.