多自由度仿生機器人的設計分析與實驗

摘要：基于現有仿生四足機器人仿形度不高的問題，設計了一種外形結構和運動機理與仿生對象高度相似，且具備多自由度腿足和軀干的仿生四足機器人。通過對仿生對象的分析和研究，得到了機器人的自由度、結構模塊、外形尺寸等參數，并基于這些參數進行頭部、軀干、尾部、四足等模塊的結構設計。對設計的機器人進行受力分析，確定機器人整體和四足結構設計的合理性。將設計的機器人加工制作并集成樣機系統，開展樣機的運動測試實驗，驗證了機器人設計的正確性。

關鍵詞：仿生四足機器人;多自由度;結構設計與分析;樣機測試

中圖分類號：TP242" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2023）15-0045-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.15.011

0" " 引言

隨著仿生機器人技術的飛速發展，各式各樣的仿生機器人應運而生，由于同時具有生物和機器人的特點，仿生機器人在反恐防爆、航空航天、軍事偵察、資源勘探、水下探測、疾病檢查以及搶險救災等不適合由人來承擔任務的環境中已經逐漸凸顯出良好的應用前景[1-3]。現有的仿生機器人主要采用輪式[4]、腿式[5]、蛇形蠕動式[6]、新型材料驅動[7]等推進方式，其中腿式機器人又因對地形的適應性強而得到了最廣泛的應用。但是現有的腿式仿生機器人在設計時簡化了腿部、軀干的自由度，外形上沒有與真實仿生對象的輪廓接近，只對其進行功能仿生，因此這類仿生機器人只適用于規則地形，對復雜地形環境的適應性弱。同時，外形結構與仿生對象的差異性，導致其無法融入任務執行環境中，不能執行對偽裝性和隱蔽性要求較高的偵察、監測等任務，這就大大縮小了仿生機器人的使用范圍。

因此，本文提出以具有復雜環境適應能力的蠑螈為仿生原型，設計一種具備多自由度腿足和軀干的高仿生性機器人，并從結構設計、受力分析、加工組裝、樣機試驗等方面著手，驗證了機器人設計的正確性。

1" " 機器人結構設計

機械結構是機器人系統的基礎，為保證機器人具有良好的動態特性和仿生結構，根據蠑螈仿生學相關的理論知識研究[8]，并對其外形結構進行分析，得到機器人整體結構的外形輪廓。在頭部、軀干、尾部的設計中使其外形輪廓尺寸與真實蠑螈的外形一致，同時在觀測蠑螈的爬行后，確定了機器人的自由度為25，其中單足采用4自由度結構，頭部具有橫向擺動的自由度，軀干為滿足身體扭動采用5自由度結構，尾部在快速爬行時會有橫向和縱向擺動，為簡化控制難度，只設計2個橫向擺動的主動自由度，自由度分布如圖1所示。

根據蠑螈外形結構和運動機理，按照仿生機器人的設計要求，將仿蠑螈機器人分為四足、尾部、軀干、頭部等四個模塊進行設計。

1.1" " 腿部結構設計

四足機器人腿部是其支撐、運動的核心部件，其結構應該滿足：1）具有足夠的強度、剛度，能支撐身體并承受一定負載;2）爬行時滿足仿生步態需求，并有足夠的自由度和活動空間;3）控制簡單。

根據上述要求設計了一種串聯式4自由度機械腿，其中髖關節和膝關節處各有2個自由度，如圖2所示。整體結構由4個舵機（舵機參數如表1所示）、髖關節電機連接件、大腿關節連接件、小腿關節連接件構成，各零部件采用開環連接，擁有更大的運動空間和更強的地形適應性。

1.2" " 軀干和尾部結構設計

軀干和尾部主要由仿生脊椎連接件、前腿連接件、后腿連接件、尾部隨動板和舵機構成，其結構如圖3所示。蠑螈脊椎結構前肢到后肢間共13個關節[8]，因機器人軀干體積狹小，不宜過多設置主動自由度，同時自由度越多控制難度越大，在滿足仿生運動功能性要求和簡易控制要求下，軀干采用5自由度結構，各驅動舵機采用仿生脊椎連接件串聯，尾部采用2個自由度實現橫向擺動運動。

1.3" " 頭部結構設計

頭部外形結構按蠑螈實際外形設計，內部提供安裝視覺、雷達、激光等傳感器位置，可用來實現避障、拍攝、監測等功能，其外形結構如圖3所示。

1.4" " 整體結構

將設計好的各部分零件組裝好后，得到機器人的整體三維模型，如圖4所示，其主要由頭部模塊、軀干模塊、四足模塊、尾部模塊等部分構成。

2" " 四足受力分析

機器人的靜力學分析是設計環節中極為重要的一環，考慮到舵機、各關節連接件以及其他微小部分外形較為復雜，且蠑螈四足機器人均為剛性連接，所以本文采用剛性桿代替各個關節結構來分析其受力。機器人前后腿結構尺寸相同，且四足均與軀干剛性連接，前腿支撐點距軀干中心平面的距離比后腿要大，因此以前腿各關節位置的受力分析為例對四足的關節進行分析。

對機器人初始狀態下的前腿結構進行簡化，如圖5（a）所示。分析時假設：1）機器人前進方向為Y方向，髖關節、大腿、小腿簡化為連桿，忽略足端與地面間的側向摩擦力;2）A、B、C、D和E、F、G、H為前腿4個轉動關節位置，M、N為與地面的接觸點，髖關節距軀干中心平面的距離、髖關節、大腿、小腿的長度分別表示為L、L1、L2、L3;3）以腿1為例進行分析，關節A和關節C在當前靜止狀態下的轉動方向不在該平面，且兩處的轉動大部分出現在抬腿后的運動，因此將A和C處的關節等效為連接件，只分析關節B和D處的力和力矩。簡化后的單腿受力分析如圖5（b）所示。

將表2中的參數代入式（8）可以計算出FBmax=7.41 N、FDmax=8.15 N、MBmax=51.04 N·cm、MDmax=38.44 N·cm，其關節扭矩值小于舵機的額定扭矩值55 N·cm，且遠小于其堵轉扭矩的峰值165 N·cm。因此，機器人四足的電機選型滿足要求。

3" " 機器人組裝與實驗分析

3.1" " 機器人組裝

設計過程中各支撐件和外殼零件均采用仿生設計，外形結構復雜且曲面較多，采用3D打印加工的方式得到各支撐件和外殼體。將各模塊組裝后再進行整體裝配，得到如圖6所示的機器人樣機。

3.2" " 機器人實驗分析

組裝完成的機器人采用STM32控制板進行調試，左前腿、右前腿、左后腿、右后腿分別標記為1、2、3、4號腿。考慮到復雜環境運動的魯棒性，采用靜步態作為機器人實驗測試的主步態。爬行邁步順序按照排列組合存在共A3 4=24種，不同爬行順序的占空比系數不同，McGhee[9]對不同擺腿順序的步態穩定性進行的分析指出，四足機器人只存在6種靜態穩定步態。本文結合仿生蠑螈爬行時的抬腿順序，采用4-2-

3-1的抬腿順序，機器人四條腿按照順序4-2-3-1各擺動一次即為一個步態周期。

實驗時，運動速度隨步距不同有所差異，設定周期內運動距離為1/4體長，將其放置在實驗臺上進行測試，如圖7所示。首先，開機后機器人進入初始狀態，接著以腿1、2、3為支撐相，腿4往前運動，同時軀干往擺動腿側內彎，四足各關節同步協調運動，以增大爬行的步距，如圖7（a）所示。其次，以腿1、3、4為支撐相，腿2擺動，軀干由彎曲狀態往回調整接近直線，完成爬行第二步，如圖7（b）所示。然后，以腿1、2、4為支撐相，腿3前伸，軀干往擺動側內彎，完成第三步，如圖7（c）所示。最后，腿2、3、4為支撐相，腿1擺動，軀干往回擺動接近直線，完成周期內的最后一步，如圖7（d）所示。如此往復便可實現機器人的爬行運動，爬行運動速度則受舵機性能限制，在保證機體穩定的前提下測得實際最大運動速度為0.08 m/s。

將機器人放置在戶外復雜地形環境中，在頭部搭載超聲波模塊和攝像頭模塊后分別進行測試實驗，如圖8所示。實驗過程中機器人及各模塊均能正常運轉，能夠滿足機器人戶外探測、救援等任務的需求。

4" " 結論

本文以仿生機械學為手段，設計了一種外形結構和運動機理高度仿生的四足機器人，其結構上具有仿形化的頭部模塊、軀干模塊、尾部模塊和四足模塊，且四足和軀干采用多自由度結構，具備更好的仿生外形和運動形式。對設計的機器人進行受力分析，得到關鍵零部件的受力狀態，并為驅動電機的選型提供參考。對設計的機器人進行加工制作，制成樣機后開展了運動測試實驗，實驗結果表明，該機器人能夠按照設計的目標進行運動，進一步驗證了機器人設計的正確性。

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收稿日期：2023-04-06

作者簡介：周逸飛（2001—），男，湖南邵陽人，研究方向：機械設計制造及其自動化。

通信作者：曾欽（1990—），男，湖南益陽人，博士，講師，研究方向：智能仿生機器人。