基于Autocad和Pro-E的雙足競步機器人結構設計及軌跡跟蹤研究

李素云

（賀州學院，廣西 賀州 542899）

引言

2017年8月，我國中科院頒布《“智能機器人”重點專項2017年度項目專項申報指南》，該文件對新一代智能機器人、工業智能機器人、服務智能機器人、特種智能機器人的發展方向，做了明確指示.同時還指出，我國科技部下一步將按照基礎前沿技術類、共性技術類、關鍵技術與裝備類和示范應用類四個層次，投資6億元，啟動42個機器人發展項目.以期到2020年我國實現工業機器人密度由70上升至150.這一政策支持下，有利于我國機器人技術實現突破，形成具有國際競爭力的行業龍頭企業.雙足競步機器人是目前我國機器人研究領域，較為前沿性的研究項目，集電子學、計算機科學、力學等多門學科為一體，主要應用于機器人教學和比賽中.但是，根據目前雙足競步機器人的研究成果來看，雙足競步機器人的操作和使用范圍，僅限于行走、翻跟頭等基礎性工作，如此一來機器人并不具備軌跡跟蹤的能力，因此往往會偏離機器人行走的路線，達不到預期的效果.因此，文章結合動力學和運動學理論，利用Autocad和Pro-E繪圖軟件對機器人的關節結構進行三維的設計，并進行軌跡跟蹤規劃[1].

1 雙足競步機器人自由度配置

自由度配置是雙足競步機器人結構設計的基礎工作，根據人體工學原理，通過觀察人體腿部組織結構，可知人體腿部的髖關節呈球形狀，此處的自由度配置最高，具備三個自由度配置點，可以使腿部完成前、后、內、外四個方向的旋轉.其次是膝關節，這一組織結構是銜接腿部上部分和下部分的重要關節，具備一個自由度配置點，可以使腿部完成前后兩個方向的轉動.其次是踝關節，這是人體重量的承重點，該組織具備2個自由度配置點，可以使腿部實現左右方向的翻轉和豎直方向的旋轉.因此，要實現雙足競步機器人的靈活度與人體靈活度高度接近，需要給雙足競步機器人配置12個自由配置點，分別均勻的分布在雙足競步機器人兩條腿部結構上，其中每條腿部的自由配置點為，膝關節1個、髖關節3個、踝關節2個[2].

2 基于Autocad和Pro-E的雙足競步機器人結構設計

根據雙足競步機器人自由度配置點的分析結果，將雙足競步機器人的結構設計分為髖部平臺結構構、腳部結構、各關節連接結構設計三個部分.并分別利用Autocad和Pro-E繪圖軟件對機器人三維的設計[3].

2.1 雙足競步機器人髖部平臺結構設計

髖部平臺結構是機器人功能的集中承載點，通過Autocad和Pro-E繪圖軟件的精準計算，將髖部平臺的的長度設置為113mm，寬度為68mm.其次在雙足競步機器人髖部平臺上，設計19個銜接端口，其中其中15個端口用于連接機器人（如圖2所示）.

雙腿、控制模塊、U型件，剩余4個端口用于機器人功能的擴展設計步驟具體為：

第一步：將機器人的腿部與髖部平臺結構銜接，利用Autocad軟件，計算雙腿之間的間距，保障雙腿關于機器人縱向、橫向對稱.

第二步：將雙足競步機器人的電源和控制系統，嵌入髖部平臺.

第三步：雙足競步機器人髖部平臺與機器人的功能擴展機構相連接.

圖1 雙足競步機器人髖部平臺結構設計圖

2.2 雙足競步機器人腳部結構設計

Autocad和Pro-E繪圖軟件的三維規劃，將雙足競步機器人腳部的長度設計為90mm，寬度設計為60mm，除此之外，在雙足競步機器人腳部設置上兩個40mm，寬20mm，高10mm的矩形的鏤空體，減輕雙足競步機器人腳部結構的重量.最后，在腳板上設置4個關于機器人中心面對稱的鏈接端口，其目的一為連接傳感器，二為降低腳部機構的重量[4].

2.3 雙足競步機器人連接器的機構設計

為保障雙足競步機器人使用過程中的靈活度，需要通過配置4種連接件，銜接雙足競步機器人的各個主組織結構.分別為適配連接件、兩種不同尺寸的U型連接件、軸套連接件.首先，適配連接件用于雙足競步機器人舵機與髖部平臺、腳板、U型連接件連接.軸套連接件用于連接雙足競步機器人U型連接件與舵機相連的軸承連接.大尺寸的U型連接件用于連接雙足競步機器人的髖關節組織結構、膝關節組織結構、踝關節組織結構.最后用最小的U型連接件，用于固定雙足競步機器人的髖關節組織結構[5].

2.4 組裝

雙足競步機器人的組裝具體分為四個部分，具體表現為:

第一步：將雙足競步機器人的六只舵機與機器人舵機自帶的軸承、花鍵相鏈接，將軸承連接器與雙足競步機器人的軸承相連接.再通過大尺寸U型連接器與雙足競步機器人適配連接器銜接.通過已連接好的雙足競步機器人花鍵和軸承套，用大尺寸U型連接件與雙足競步機器人銜接.

圖2 舵機與U型件連接

第二步：通過適配連接器將雙足競步機器人的一只腳板，與一只舵機相連，連接后，將雙足競步機器人與舵機相連U型連接器調整到與舵機垂直的位置，再通過適配連接塊，將下一只舵機與踝關節U型連接器相連，得到機器人的膝關節.再依照雙足競步機器人膝關節的組裝方法，得到雙足競步機器人的髖關節，即機器人的一條腿[6].

圖3 機器人單腿

第三步：將組裝好的雙足競步機器人的兩條腿部結構與小型U型連接器相連.

第四步：將雙足競步機器人的兩條腿部組織，通過小型U型連接器，與雙足競步機器人的髖部平臺連接，然后在腳板上安裝控制傳感器，最終構成雙足競步機器人的整體圖[7].

圖4 機器人總裝配

3 雙足競步機器人軌跡跟蹤研究

文章利用Mat和Simulink模塊，進行雙足競步機器人軌跡跟蹤仿真研究，.軌跡圖如下所示：

圖5 直線運動擺動腿踝關節位置軌跡

圖6 直線運動髖關節位置軌跡

圖7 直線運動ZMP的軌跡

根據觀察雙足競步機器人髖關節組織結構、踝關節組織結構X項和Z項運動軌跡來看，兩者的運動變化軌跡相同，且雙足競步機器人直線運動ZPM的軌跡處于0.6-1.0之間，Matlab中Simulink模塊數據顯示，以雙足競步機器人的腳踝關節處為定點，以雙足競步機器人的腳掌邊緣線和后邊緣線的距離為變化量，通過計算變化量的結果得出，lα的正常范圍是0.6＜lα＜1.所以，雙足競步機器人的直線運動ZMP的軌跡只要處于0.6-1.0之間，說明雙足競步機器人的軌步處于穩定狀態.通過上述雙足競步機器人的軌跡跟蹤仿真實驗研究，得出該雙足競步機器人的軌跡規劃處于合理狀態，可以作為雙足競步機器人軌跡跟蹤的期望軌跡.

4 雙足競步機器人軌跡控制方法研究

從雙足競步機器人的結構設計過程得出，雙足競步機器人具備多自由度和靈活性的特點.我們無法獲取雙足競步機器人詳細的數學模型，因此，在雙足競步機器人軌跡控制過程中，人們往往會忽略這類無法量化的因素，基于這一弊端，文章結合上述雙足競步機器人的組織結構和雙足競步機器人軌步跟蹤數據，提出雙足競步機器人軌跡控制方法.

4.1 PID控制法

PID控制法是一種操作較為簡單的雙足競步機器人軌跡控制方法，在無法準確確定雙足競步機器人數字的模型的情況下，通過工程控制和數學物理方面的微積分比例，對雙足競步機器人進行閉環控制，再通過雙足競步機器人的負反饋信息，進行雙足競步機器人軌跡控制.

4.2 魯棒控制

雙足競步機器人在建模過程中，會存在一定的誤差，魯棒控制法有利于改善這一弊端.用魯棒控制所設計的雙足競步機器人控制器參數，不可隨意改動.如此一來，會降低機器人的自由度，提升了雙足競步機器人的控制精度.

4.3 神經網絡控制法

神經網絡控制法主要應用于復雜結構、機理不明的機器人系統上，應用神經網絡已能對任意形式的連續函數按任意精度進行逼近，能夠得出準確的雙足競步機器人的數字模型，有利于精確雙足競步機器人軌跡控制.

結語

綜上所述，要實現雙足競步機器人的靈活度與人體靈活度高度接近，需要給雙足競步機器人配置與人體腿部相同的12個自由度配置點.基于Autocad和Pro-E平臺三維設計，將雙足競步機器人組裝完成后，通過Mat和Simulink模塊進行雙足競步機器人軌跡跟蹤，最后，通過PID控制法、魯棒控制、神經網絡控制法三個方面，提出雙足競步機器人軌跡控制方法規劃.