王 鵬，徐曉希，李吉祥，郝煥瑞，辛景雷

（哈爾濱理工大學 機械動力工程學院，黑龍江 哈爾濱 150080）

0 引 言

在2011年3月日本發(fā)生的災難破壞之大，造成的影響之深遠，在歷史上實屬罕見，震級甚至達到了里氏9.0級。該地震的中心位置位于西太平洋內(nèi)東經(jīng)142.3°、北緯38.2°的地區(qū)，其震源深度非常大，超過18 km。經(jīng)后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)表明，由地震引發(fā)的海嘯最大的峰值達到23 m之高。日本部分地區(qū)在地震及海嘯的災難中遭受了非常大的沖擊，并有大量的人員傷亡［1］。地震發(fā)生在該月的11日，列舉隨后三天的傷亡報告:12日，在日本的東北部地區(qū)，死亡及失蹤人數(shù)超過1 500名；13日，該項的統(tǒng)計人數(shù)超過3 000名，14日，人數(shù)急劇升到超過10 000名。而截至該月20日，死亡及失蹤人數(shù)超過20 000名，數(shù)字觸目驚心！同時災難也造成了大量的建筑倒塌。

而災難過后最主要的問題就是如何快速搜索在極其危險情況下的幸存人員［2-5］。經(jīng)相關專家調(diào)查研究后發(fā)現(xiàn)，假如在搜索最佳時間72 h之內(nèi)找不到幸存者，那么他們將因不能夠得到及時的救助而極有可能死亡［6-9］。上述事實已經(jīng)用血的教訓來證明了這一點。

因此，用于災后快速搜索特定目標的小型四足機器人開發(fā)將會是非常重要且十分必要的［10］。四足機器人既有優(yōu)于兩足機器人的平穩(wěn)性，又可避免六足機器人機構的冗余和復雜性，此項研究工作具有一定的現(xiàn)實意義。

因此，本研究首先進行該小型化四足機器人的結構方案設計，這其中包括控制系統(tǒng)、減速傳動機構、分解傳動機構、間歇分配機構和腿部機構；然后，建立四足機器人簡化模型的單腿D-H坐標系，并完成其運動學分析；最后應用ADAMS軟件進行其步態(tài)切換的仿真及分析。

1 小型化四足機器人設計方案

該小型化機器人的運動方式是首先由動力機構提供動力，經(jīng)減速機構將運轉的速度減下來，從而提高了輸出轉矩，通過計算使轉矩滿足所有機構運動的要求，再由前、后身運動分配機構和調(diào)節(jié)機構將運動進行轉化，成為周期、間歇性運動進行輸出，最后分別傳遞到前身及后身行走機構上，執(zhí)行行走功能，從而使得該小型化機器人實現(xiàn)穩(wěn)定行走運動。

本研究將機器人的運動分為左、右側兩腿同時運動，而且精簡所有不需要的機械結構，使機體盡可能減小質(zhì)量，運動時機體非常輕便，在滿足相應的運動時，對每個關節(jié)都使用高性能材料及高要求的加工工藝，保證其強度和剛度，進一步提高其運動時的平穩(wěn)性。

其主要組成單元為:

（1）控制系統(tǒng)。由于機構相對復雜化，從而減輕了控制系統(tǒng)的工作量。該控制系統(tǒng)只控制位于機身中間位置的步進電機，給機器人的運動提供驅動力，該系統(tǒng)包括步進電機驅動裝置，嵌入式集成電路控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)作為控制中樞，通過向電機驅動裝置發(fā)送脈沖指令，來控制電機的運轉速度及轉向，憑借步進電機把動力傳遞給蝸桿，實現(xiàn)動力的第一次傳遞。

（2）減速傳動機構。由蝸輪、蝸桿、蝸桿支撐架、齒輪支撐架及相應輔助件（軸承、聯(lián)軸器、螺栓、限位擋圈等）組成。通過聯(lián)軸器接受步進電機傳遞過來的速度和扭轉力，經(jīng)過蝸輪蝸桿機構減速后，大幅度降低輸出速度、增大輸出力矩，使該速度達到機器人運動時的安全角速度的要求，有效增加了運動的平穩(wěn)性和安全性。

（3）分解傳動機構。由主動齒輪、前肢被動齒輪、后肢被動齒輪、齒輪支撐架及相應輔助件（軸承、限位擋圈等）組成。因主動齒輪和蝸輪系同軸傳動，故其角速度在數(shù)值上近似相等，蝸輪將速度和扭轉力經(jīng)過心軸傳遞給主動齒輪，主動齒輪分別與前肢被動齒輪、后肢被動齒輪嚙合傳動，將運動進行分解到這兩個齒輪上，由于該速度值已經(jīng)適合機器人運動，該傳動單元不需要再減速，屬于等速傳動，主要是將運動進行分解。由于齒輪傳動機構具有傳動平穩(wěn)的特點，機構進一步增加了機器人運動的穩(wěn)定性。

（4）間歇分配機構。以前肢為例，由前肢曲柄、前肢曲柄連接桿、前肢大腿及相應輔助件（螺栓、限位擋圈、限位銷等）組成。前肢被動齒輪經(jīng)主動齒輪傳遞給的動力，進行再次分配，分配對象為兩側的曲柄機構，此分配機構，原理以曲柄擺桿機構為依托，結合機器人結構方案需要的尺寸和運動進行設計，經(jīng)過計算，確定符合要求的尺寸數(shù)值，使兩側的前肢腿部形成規(guī)律性、合理性且交替運動的機構。

（5）前身腿部機構。前肢足部、前肢小腿、前肢大腿、前肢小腿連接通銷及相應輔助件（限位擋圈、限位銷等）組成。間歇分配機構將運動傳給曲柄，曲柄連接桿，大腿接受曲柄連接桿傳遞過來的運動，將運動再傳遞給小腿，小腿連接足部，進行擺腿運動。經(jīng)過減速機構減速后，傳到足部的速度已經(jīng)可以實現(xiàn)平穩(wěn)行走。腿部是最后一級執(zhí)行機構，足部與地面相接觸，承受地面產(chǎn)生的反作用力，對腿部結構經(jīng)過設計，能夠對該作用力進行緩沖，從而減小了該作用力對其他機構的沖擊作用。

2 小型化四足機器人運動學分析

本研究對機器人簡化模型進行正向運動學分析。機器人結構簡圖如圖1所示。

圖1 小型化四足機器人結構簡圖

圖1中，機體為箱狀剛體，每條腿有3個轉動關節(jié)，桿件1是360°旋轉，桿件2是小范圍移動，桿件3是最后執(zhí)行機構，通過相互配合，達到向前行走的要求。

因機器人的每條腿結構相同，對其一腿進行研究即可，本研究將每一個桿件建立一個坐標系，并用齊次變換矩陣來描述相應的位置和姿態(tài)，建立機體的坐標系(Xb,Yb,Zb)，規(guī)定Xb正向為機器人前進的方向，Zb軸正向與重力方向相反，由右手定則推出Yb軸，(Xb,Yb,Zb)的原點在機坐標系中為(a,b,c)。四足機器人單腿桿件及關節(jié)參數(shù)如表1所示。

表1 四足搜救機器人單腿桿件及關節(jié)參數(shù)

將表1參數(shù)代入式（1）中，可得如下矩陣:

式中:si=sinθi，ci=cosθi(i=1,2,3)。

足端在坐標系中的運動軌跡和始末點已知，設末端位姿矩陣為:

總變換矩陣經(jīng)過整理得Tb3可表示為:

由式（5，6）可得:

式中:t1=t4=c1c2-s1s2；t2=-t3=-c1s2-s1c2；R—足部末端姿態(tài)矩陣；Px，Py，Pz—足部末端在X，Y，Z軸上的坐標。

為了核對結果的正確性，將此位置關節(jié)轉角的初始值代入Tb3，則:

這一結果與圖示位姿完全一致，證明上述推導運動學方程的正確性。

3 小型化四足機器人運動仿真

小型化四足機器人在實際運動的試驗過程中，機體的各部件頻繁運動，對相應參數(shù)進行分析是十分必要的，仿真分析在驗證其方案正確性與可靠性方面都將起到至關重要的作用。因此借助成熟的仿真軟件對該機器人進行運動仿真分析就顯得非常重要。

ADAMS軟件為其使用者提供了相應的建模和仿真環(huán)境，能夠使用戶對各種機械系統(tǒng)進行針對性的建模、仿真及分析。與其他相關機械仿真軟件相比，該軟件具有了強大的運動學和動力學分析功能。本研究運用ADAMS軟件對小型化四足機器人進行了相應的運動分析。

本研究將運用Pro/E軟件建立好的小型化四足機器人模型導入ADAMS軟件中，利用Pro/E軟件所做的裝配模型如圖2所示。

導入ADAMS后的小型化四足機器人模型如圖3所示。

筆者將Pro/E文件轉化成為ADAMS軟件所支持的格式文件，并導入ADAMS軟件后添加相應約束及所需動力進行處理。

圖2 Pro/E軟件中的小型化四足機器人模型

圖3 導入ADAMS后的小型化四足機器人模型

該仿真的主要內(nèi)容是通過對一側腿部與對側腿部進行步態(tài)切換時狀態(tài)的分析，從而判斷小型化四足機器人在行走時的穩(wěn)定性與可靠性，一側前腿速度曲線如圖4所示。

圖4 一側前腿速度曲線

對側前腿速度曲線如圖5所示。此處尖點的產(chǎn)生是由于一側與二側腿部在承載交換時所產(chǎn)生的，而圖4、圖5中兩波谷沒有接觸底線，是由相應部件的傳動誤差所引起的。

通過圖4、圖5所描述的內(nèi)容可知，除上述提及兩個不可避免的問題外，分析結果表明該小型化四足機器人的運動是可靠且穩(wěn)定的。

圖5 對側前腿速度曲線

4 結束語

在完成機構設計方案和運動學分析的基礎上，本研究提出的一種小型化四足機器人的穩(wěn)定步態(tài)切換設計得到了仿真實驗驗證，實驗結果表明，該設計方案可以實現(xiàn)小型化四足機器人的協(xié)調(diào)行走功能，并為以后的優(yōu)化四足機器人樣機的研制提供了重要的技術參考和理論依據(jù)。

后續(xù)的研究工作中，本研究將考慮地形條件的變化，通過實際樣機的行走實驗來進一步優(yōu)化結構設計，并深入研究小型化四足機器人穩(wěn)定步態(tài)的控制方法。

（References）:

［1］王 鵬，李 鑫，江文浩.地震搜救機器人構型設計綜述［J］.哈爾濱理工大學學報，2012，17（1）:15-19.

［2］張亞萍，馬明星.搜救機器人系統(tǒng)的設計與開發(fā)［J］.中國制造業(yè)信息化，2010，39（5）:52-55.

［3］MARK J.Evolution and field performance of a rescue robot［J］.Journal of Field Robotics，2008，25（1）:17-30.

［4］錢善華，葛世榮.救災機器人的研究現(xiàn)狀與煤礦救災的應用［J］.機器人，2006，28（3）:350-353.

［5］劉 靜，趙曉光，譚 民.腿式機器人的研究綜述［J］.機器人，2006，28（1）:81-88.

［6］何冬青，馬培蓀，曹沖振，等.四足機器人對角小跑起步姿態(tài)對穩(wěn)定性的影響［J］.上海交通大學學報，2005，39（6）:880-882.

［7］計時鳴，劉 毅，李研彪，等.一種新型擬人機械腿的運動傳遞性能分析［J］.機電工程，2012，29（10）:1125-1129.

［8］張文宇.四足機器人斜面全方位靜態(tài)步行及穩(wěn)定性分析［D］.青島:中國海洋大學機電工程與自動化學院，2009:1-2.

［9］吉愛紅，戴振東，周來水.仿生機器人的研究進展［J］.機器人，2005，27（3）:284-288.

［10］WANG Peng，JIANG Wen-hao，LI Xin.Research for multi-sensor information fusion algorithm of search and res?cue robot based on embedded control network［J］.Journal of Computer，2012，7（5）:1176-1183.