基于仿人競速比賽的機器人結構設計和優化

王珣 王少坤

（西北農林科技大學水利與建筑工程學院 陜西省咸陽市 712100）

近年來，隨著智能化技術的發展，有關機器人方面的研究也漸漸走入大眾視野。中國工程機器人大賽便是一項為鼓勵青少年積極參與科學實踐，突破創新的機器人科技競賽。競速工程作為其中一個方向在追求機械擬人化的基礎上，以提高機器人的速度為目的。而對于小型仿人機器人來說，其機械結構的設計優化是完成競速任務的基礎和前提，一個合理完善的結構設計能提高機器人的穩定性、可靠性和經濟性。因此，對機器人的機械結構進行優化設計對于機器人的相關研究具有重要的現實意義和應用價值[1]。

1 機器人整體設計

1.1 設計需考慮問題

競速機器人要朝著類人的行走步態進化（走起路來要像人一樣走路），因此要求設計的機器人腿部結構必須是可以實現即能彎曲又能伸直。規定靜態時機器人腿部的水平向自由度中兩個相鄰關節最大展開角度不小于120°。必須有明顯的頭、手臂、軀干和雙足等部分，與人體的結構比例相協調。

競速機器人結構設計時需要綜合考慮舵機、支架、腳板等零件安裝的合理性、穩定性和經濟性。還需考慮制作機器人主體的材料選擇問題，制作材料的材質、硬度、剛度和質量等條件會影響機器人的重心位置，如果選擇不當會給后續調節帶來不必要的麻煩。

最終的設計結果要綜合考慮穩定性、可靠性、經濟性、便捷性等方面的要求[2]。

1.2 機器人自由度分配

競賽規定機器人的每條腿上必須至少設置三個水平向自由度和一個豎直向自由度（即 3 個水平軸和 1 個豎直軸）。該豎直軸用于改變機器人的前進方向，安裝在機器人腿部的位置不作限制（可靠近腳底板，可靠近大腿根，也可在腿的中部）。要求機器人的頭部有 1 個自由度，手臂至少有 2 個自由度，行進過程中有明顯的比較協調的擺頭和擺臂動作。

基于規則和人體結構，我們所設計的機器人包含頸部、肩關節、肘關節、腰關節、胯關節、膝關節和踝關節[3]，共13 個自由度。其簡單結構示意圖如圖1。

1.3 機器人驅動元件選擇

機器人驅動元件的選擇是配合好機械結構為其提供動力的基礎。最常用的驅動元件有直流伺服電機、舵機和步進電機，這三種驅動元件各自有不同的優缺點和不同的適應環境。其中數字舵機的體積小、力矩大、質量輕，運行噪音低、平穩且線性度高，可控角度范圍180 度，斷電可360 度旋轉，全套金屬齒輪，間隙小，性能優越，能夠通過舵機控制板實現規定角度范圍內的正轉和反轉，而且具有控制精度高、線性度好，與控制協議嚴格一致，輸出角度準確且響應速度快的一系列優點?？梢杂脕砟７氯梭w關節，最適合作為小型仿人機器人的驅動元件[4]。

故在設計中，我們選用舵機SG90 和舵機RDS3115/3120 作為驅動元件[5]，其參數見表1。在機器人各關節中，頸部、肩關節、肘關節通過SG90 舵機實現，腰胯關節通過RDS3120 大扭力舵機實現，膝踝關節通過普通RDS3115 舵機實現。RDS3115 舵機關節單元如圖2 所示， SG90 舵機模型如圖3 所示。

圖1：機器人結構示意圖

圖2：RDS3115 舵機關節單元

圖3：SG90 舵機模型

圖4：腿部常見設計

圖5：腿部設計改進

圖6：腳部原有設計

圖7：腳部改進設計

圖8：機器人結構仿真模型

圖9：16 路舵機控制板

2 機器人結構改進

2.1 機器人上半身結構改進

機器人的頭部設有 1 個自由度，手臂有 2 個自由度，相當于人體的脖頸和肩肘關節，能夠在機器人的行進過程中有配合走路有較為協調的擺頭和擺臂動作。有助于機器人維持身體平衡[6]。

因為頭部和手臂都采用SG90 舵機，其扭矩較小，故手臂和頭部連接件均需選取質量較輕的合金金屬。

2.2 機器人腿部改進

機器人的腿部結構是機器人結構的關鍵，其腿部結構的優化與否決定了機器人能否順利行走。

機器人每條腿上都包含三個水平向自由度和一個豎直向自由度，他們相互配合使機器人能夠完成曲腿、甚至，邁步、轉向以及轉移重心的動作。我們在該機器人腿部安裝三個舵機以完成對機器人前進轉彎動作的控制，該機器人的腰部由兩個舵機組成，用來控制機器人左右轉向。以往的機器人腿部結構設計多采用圖4 所示結構，舵機正向連接，這種連接方式簡單直接，但可靠性和便捷性差，且步伐調試復雜，步長較短[7]。故我們優化為圖5 所示結構，腿部膝關節和胯關節的舵機反向連接，選取新型框架連接件，既提高了舵機連接的穩定度，又簡化了后期動作調試，能夠通過對稱調節完成腿部角度的變化，其步長也明顯增加。

表1：舵機參數

表2：脈沖長度與旋轉角度關系

圖10：舵機控制板調試界面

2.3 機器人腳部改進

競速機器人的雙足結構是類人的平板腳，要求雙足必須符合人腳形狀、近似矩形的平板腳。當機器人站立時，從上面看，連接腳底板最外沿的連線不重合。機器人單足尺寸（即機器人單足腳底板和其上安裝的輔助器件，共同構成機器人的單足。相當于人類的腳底板和腳趾頭構成人類的腳一樣）。

機器人的腳部采用一個舵機用來控制身體重心的轉移，重心的轉移[8]是機器人行走的重中之重，因為機器人的腳踝無法完全等同于人類腳踝，只能通過舵機的安裝使其實現旋轉功能。為了有助于機器人轉移重心，保證其行走的穩定性，我們選用金屬材料的腳板，并將舵機的安裝方式由圖6 改進為圖7，小U 型連接件與腳板連接，使舵機與腳板更為貼合，重心更穩，行走時不會出現來回晃動的現象，就像人行走時腳部牢牢抓地一樣。

為了使機器人轉向更為流暢，我們將機器人的腳板形狀改進成內沿為大圓角，外沿為小圓角的矩形，腳板的大小需合適，腳板過小，抓地重心不穩，腳板過大，轉向時會出現兩腳板重疊而無法正常行走的現象[9]。

3 機器人組合安裝

將機器人身體架構的各個部分優化改進后，將其組裝，通過SolidWorks 建立其結構仿真模型如圖8。

實際安裝時，還需為其連接電源和舵機控制板,本例中，為其選擇7.4V 可充電鋰電池和16 路舵機控制板。

舵機控制板內的單片機MCU 控制系統，通過PWM 脈寬型控制[10]調節舵機角度。舵機的基準信號周期為20ms，寬度為1.5ms，為其提供不同長度的脈沖，就能決定舵機的旋轉角度，也即脈沖占空比。0.5ms～2.5ms 的脈寬電平對應舵機0 度～180 度角度范圍，成線性關系。對應的控制關系見表2。

舵機控制器多采用500～2500 數值對應舵機控制輸出角度的占空比0.5ms～2.5ms 的范圍，其中1500 為中間位置，增大或減小分別為正轉和反轉。

數字舵機與模擬舵機最大的區別在于數字舵機可以鎖定，給一次PWM 脈寬，舵機輸出角度可鎖定，直到下次給不同的角度脈寬或者斷電才可以改變角度。

通過舵機控制板與舵機間的通信，從而調節舵機的旋轉角度和完成旋轉所需的時間，能夠實現對機器人各種動作的調試。

4 總結

本文通過對機器人身體各個部分結構的設計優化，并綜合考慮制作材料、安裝零件的選擇等方面，最終設計出一個較為科學的人形機器人，既滿足競賽規則所需，也能用于相應的教學實驗。該機器人能夠實現大步幅，高步頻的快速行走且保持重心穩定。經過競賽測試，機器人能協調、快速、穩定的完成動作，取得了較好的比賽成績。