四足教具機器人機構設計及運動仿真

張艷華，張淑萍，李真真

（廣東科技學院機電工程學院，廣東東莞 523083）

0 引言

教具機器人是一種應用于教育領域的機器人，通常具有以下特點：1）適合教學，滿足教學使用的相關需求；2）具有良好的性能價格比，特定的教學用戶群體決定其價格不能太高；3）是開放和可擴展的，可以根據需要輕松添加或減少功能模塊。此外，還應具有友好的人機界面。

但是，對于剛剛入門初學機器人的低齡小學生，他們所接觸的不應該是機器人復雜的模塊和繁瑣的編程，對機器人結構的理解和感興趣應是學習機器人的重要第一步。為此，本文將使用SolidWorks軟件設計一款經濟效益高、結構簡單合理、使用和維護容易、數據可靠的具有啟蒙教育作用的教具機器人。

國內外學者對于四足機器人已經做了大量的研究，國內在這一方面起步較晚，但發展速度比較快，已經取得了一定成果，如模仿牛類、犬類動物的設計[1]。此次設計的機器人是一種面向家庭服務、娛樂教育的機器人，目的在于增加課堂教學的直觀性和趣味性。為了適應家庭環境快速靈活地移動，設計了一款仿四足動物行走的四足機器人。

1 總體方案設計

四足機器人必須滿足以下幾個基本條件：1）穩定行走；2）具有較強的地形適應能力[2]。在實際中，足式機器人的行走機構大都采用連桿機構[3]。通過觀察和研究楊森行走連桿，以連桿機構為基礎設計一款四足步行機器人[4]，可以輕松實現，其內部結構簡單合理、使用和維護方便。

設計出的機器人機構如圖1所示。由原動機、傳動裝置和工作裝置三部分組成[5]。原動機為微型電動機3，工作部分為腿部機構5。電動機輸出的轉矩通過小齒輪6與大齒輪2的嚙合連接降低速度，同時帶動與大齒輪2同軸的齒輪3旋轉，由于齒輪3與齒輪1和齒輪4嚙合，從而將轉動傳給了與它們同軸的腿部機構，帶動腿部運動。驅動四足運動的齒輪共有6個，圖中標出了驅動右側前后兩足運動的3個齒輪，分別是1、3和4，驅動左側前后兩足運動的齒輪也有3個，布置和結構與右側一致。

圖1 四足機器人總體設計結果

此機器人設計采用的主要傳動方式包括電動機、齒輪機構、復合連桿機構等，以單動力純機械傳動驅動整個機器人腿部，即使用微型電動機作為整體動力代替楊森行走機器人中的風力驅動，通過齒輪傳動的方式讓其以恒定的步態實現四足行走的目的。

可以用于教學中做機構傳動的演示，可使用SolidWorks進行模型的展示或動作模擬，也可以3D打印成型組裝實物演示。

2 機構設計

2.1 腿部設計

四足機器人的四條腿部均采用完全一致的關節配置，結構均采用多連桿復合機構組成，運動方式基于曲柄搖桿原理，具體組成如圖2所示，每條腿均由8個構件組成，其中：機架8為固定件，連桿6為曲柄，是原動件，由電動機通過齒輪傳動驅動做勻速轉動，動力和運動通過普通連桿7、4、1、2、5，最終傳遞至腳部連桿3，帶動足部支撐，實現足部的移動和支撐。

圖2 腿部連桿機構

該機構中含有10個運動副，其中3處存在復合鉸鏈，根據自由度計算公式（1）可得該機構自由度為1，可實現確定的相對運動：

2.2 足部支撐設計

由于腿部上方還會考慮安裝其他結構，并且為了使機器人運動起來更加平穩，改善整體的不平衡，最簡單方法就是增大每只腳與地面的接觸面積，這就必須在每個腿部安裝一個類似腳板的部件，具體結構如圖1中的零件8所示。

2.3 齒輪傳動機構設計

齒輪傳動是機械傳動中應用最為廣泛的一類傳動，在常用的機械傳動中，齒輪傳動的效率是最高的。圓柱齒輪齒條傳動在正常潤滑條件下的效率可達到99%以上，在大功率傳動中，高傳動效率是十分重要的[6]。此次設計的四足機器人齒輪參數如表1所示。

表1 四足機器人齒輪參數

驅動四足運動的6個齒輪完全一致，既完成了既定運動，又簡化了齒輪機構的組成。

3 機器人行走運動仿真

通過SolidWorks軟件的基本運動仿真的觀察，可以得出整個腿部四足行走機構的步態行走軌跡，如圖3所示。

圖3 腿部行走軌跡

從圖中可以看出，每次抬腳落腳都是對角的兩只腿部同時運動，以此來實現行走動作。圖中仿真去除了足部支撐，這使得整個機器人的行走過程不夠平穩，是因為腳與地面的接觸面積太小導致的，這也充分證明設計足部支撐的必要性。

4 可變徑齒輪的設計

從上述的運動仿真可以看出，采用傳統的齒輪機構帶動腿部機構運動時，每次都有兩腿著地。而通過對四足動物的行走步態觀察，在低速行走時，四足動物通常保持著三足著地，只移動剩下的一只腳的步態。要實現這樣的行走步態，當然可以考慮使用四個步進電動機單獨驅動每條腿來解決，但是這樣會使得機器人結構過于繁瑣復雜。在簡單的楊森行走連桿結構下可以將傳統齒輪改為可變徑齒輪去實現這樣的行走步態。

可變徑齒輪是非圓齒輪的一種，主要用于產生特定的運動規律，也有用作流量計中的計量元件。

平時的齒輪由于半徑固定，傳動比也是不變的，而可變徑齒輪由于直徑會變化導致傳動比也會隨之變化，那么相對于抬腳落腳各占一半周期的傳統四足可變徑齒輪可以縮短一個周期內抬腳部分的占比，從而做到了保持三足著地的狀態。

將圖1中驅動4組運動的6個齒輪換成可變徑齒輪，如圖4所示，圖4中只列出了驅動右側前后兩足運動的齒輪，2、1、3分別對應圖1中的1、3、4。

圖4 改裝變徑齒輪的四足機器人

通過改變齒輪類型，再次在SolidWorks 的基本運動仿真可以觀察到，由于傳動比的變化，縮短了一個周期內抬腳部分的占比，四足機器人在行走時始終保持著三足著地只移動一只腳的行走步態。需要特別注意的是，在更改齒輪時，需要把曲柄的相位轉到合適的位置，否則是無法保持三足著地行走的狀態[7]。

5 微型電動機的選擇

直流電動機作為常見的普通電動機，其在各種玩具中使用較多，且其啟動特性和調速特性較好，調速范圍寬廣，在不同輸入驅動電壓的條件下，可以輸出不同的轉速，且調速特性較平滑，此外，直流電動機具備較高的過載能力，特別是起動和制動的瞬間能夠具有較高的轉矩。本文設計的四足機器人，其底盤結構在運動過程中需要啟停具有較大的轉矩，且希望能夠具有較寬的調速范圍，因此，本文設計的機器人足部采用BM8206微型直流電動機進行驅動。

6 結語

本文抓住了機器人教育這一熱門元素，結合國內外研究現狀，充分考慮使用環境、成本控制、控制方案等，設計出一款四足行走機器人的機械結構，利用SolidWorks軟件，將各機械機構進行靈活應用，并很好地結合，最終獲得一個可以輔助教學的模型，對于機械類相關課程的教學及機器人的研究都能提供很大的幫助。

設計出的機器人雖不算美觀，但是結構簡單，便于觀察機器人的內部結構和工作原理，能夠提高初學者尤其是低齡小學生對于學習機器人結構的興趣。

通過運用SolidWorks軟件對機器人的行走功能設計進行運動模擬和仿真，提供了兩種齒輪傳動方案，可實現四足機器人不同的行走狀態。