【摘要】作為當(dāng)代工、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的新型設(shè)備，機(jī)器人的實(shí)用帶來(lái)個(gè)工農(nóng)業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)的創(chuàng)新也在不斷發(fā)展，文章就雙足機(jī)器人腿部的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，提出了利用連桿曲線模擬人腳部的運(yùn)動(dòng)，并對(duì)多種雙足機(jī)器人機(jī)構(gòu)進(jìn)行了分析。

【關(guān)鍵詞】機(jī)器人；腿部；設(shè)計(jì)

當(dāng)前，常見(jiàn)的機(jī)器人大多是通過(guò)輪子履帶進(jìn)行移動(dòng)的，這種機(jī)器人在光滑，微重力，以及不平整的路面很難發(fā)揮其移動(dòng)迅速的優(yōu)勢(shì)。所以，機(jī)器人正向著具有行走能力的方向發(fā)展，雙足機(jī)器人的應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣泛，目前，機(jī)器人技術(shù)比較成熟的應(yīng)該是美國(guó)和日本。我國(guó)機(jī)器人研究起步較晚，約與20世紀(jì)70年代末、80年代初開(kāi)始，以后的近10年中，在步行機(jī)器人、精密裝配機(jī)器人等國(guó)際前沿領(lǐng)域逐步縮小了與世界先進(jìn)水平[1]。

現(xiàn)在，步行機(jī)器人正朝著智能化、高仿真的方向發(fā)展。2013年，日本本田工業(yè)技研公司研制的仿真機(jī)器人ASIMO，是至2013年最先進(jìn)的仿人行走機(jī)器人。這款機(jī)器人模仿人類動(dòng)作更精準(zhǔn)。能跑，能跳，上下樓梯，動(dòng)作十分靈巧。

本文設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單的雙足機(jī)器人，采用連桿曲線模擬人行走時(shí)腳步的運(yùn)動(dòng)軌跡，運(yùn)用單片機(jī)，步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制連桿機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)雙足的交替走動(dòng)。

一、雙腿運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人雙足的交替前進(jìn)，首先進(jìn)行了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并對(duì)不同的機(jī)構(gòu)進(jìn)行了分析與比較：

（一）凸輪機(jī)構(gòu)的分析

凸輪機(jī)構(gòu)是機(jī)械中常見(jiàn)的一種機(jī)構(gòu)，其最大優(yōu)點(diǎn)是只要適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)出凸輪的輪廓曲線，就可以使推桿得到各種預(yù)期的運(yùn)動(dòng)規(guī)律[2]，凸輪機(jī)構(gòu)控制機(jī)器人雙腿主要依靠?jī)蓚€(gè)偏心輪偏心輪帶動(dòng)雙腿交替的上下移動(dòng)，使機(jī)器人向前行走。這種機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠 ，造價(jià)低，容易控制。但是采用凸輪機(jī)構(gòu)機(jī)器人移動(dòng)的步伐較小，腳步抬起的高度較低，而且行走時(shí)身體會(huì)出現(xiàn)較大的晃動(dòng)，不適合在多變的地面行走。

（二）舵機(jī)控制的分析

利用舵機(jī)控制機(jī)器人是目前常用的一種方法，其原理是利用舵機(jī)控制關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)一定角度，達(dá)到兩腿交替向前運(yùn)動(dòng)。這種方法仿真程度高，雙腿變化多樣。舵機(jī)輸出扭矩大，可以承受較大的負(fù)載，而且抗抖動(dòng)性好，電位器的線性度高達(dá)到極限位置也不會(huì)偏離目標(biāo)。但是采用舵機(jī)控制，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，可靠性低，不易維修和保養(yǎng)。

（三）連桿機(jī)構(gòu)的分析

連桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用十分廣泛，它步進(jìn)在眾多工農(nóng)業(yè)機(jī)械和工程機(jī)械中得到廣泛應(yīng)用，而且諸如人造衛(wèi)星太陽(yáng)能板的展開(kāi)機(jī)構(gòu)、機(jī)械手的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、折疊傘的收放機(jī)構(gòu)及人體假肢等也都有連桿機(jī)構(gòu)。運(yùn)用連桿機(jī)構(gòu)控制機(jī)器人腿部，主要依靠連桿曲線，選取與人腳步運(yùn)動(dòng)一樣的曲線，利用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)曲柄的轉(zhuǎn)動(dòng)，連桿上的某一點(diǎn)受曲柄及要搖桿的約束會(huì)繪制出變化多樣的連桿曲線。利用連桿曲線來(lái)實(shí)現(xiàn)腿部的上下運(yùn)動(dòng)。連桿機(jī)構(gòu)機(jī)中的運(yùn)動(dòng)副一般均為低副，其元素之間為面接觸，傳動(dòng)時(shí)所受壓力較小，磨損亦相應(yīng)減少：承載能力較大，潤(rùn)滑好，磨損小，加工制造容易，易得到高精度。[3]且連桿機(jī)構(gòu)中的低副一般是幾何封閉，對(duì)保證工作的可靠性有利。但是連桿機(jī)構(gòu)易產(chǎn)生較大的誤差，機(jī)械效率低，不適于高速度運(yùn)動(dòng)。

（四）選定方案

考慮到本研究針對(duì)機(jī)械和電器類專業(yè)的結(jié)合，為了力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，降低控制及機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度，提高可操作性及成本，所以選擇穩(wěn)定性與實(shí)用性較強(qiáng)的連桿機(jī)構(gòu)。利用直流電機(jī)作為動(dòng)力源，身體內(nèi)安置電池盒，可安裝2節(jié)干電池，提供6V電壓，以保證機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)。采用二級(jí)展開(kāi)式齒輪傳動(dòng)，通過(guò)減速器改變輸出的扭矩。

二、連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

（一）腿部的運(yùn)動(dòng)方式

人行走時(shí)腳部的運(yùn)動(dòng)如圖所示

不難發(fā)現(xiàn)其腳部的軌跡是類似面包型的曲線。

查連桿曲線圖譜可以發(fā)現(xiàn)，人行走時(shí)腳部的軌跡與單直線型連桿曲線類似，計(jì)算其比例，利用adams做出仿真。

（二）腿部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

將其與腿部鉸接在一起，便可以實(shí)現(xiàn)腿部的上下運(yùn)動(dòng)。采用兩個(gè)這樣的機(jī)構(gòu)，便可以實(shí)現(xiàn)雙腿的交替抬起、前移。由于腿部只有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副的約束，所以腿部的運(yùn)動(dòng)會(huì)出現(xiàn)晃動(dòng)。導(dǎo)致連桿曲線不能夠傳遞到腳部。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們采取將腿部與身體用滑塊相連接，限制了轉(zhuǎn)動(dòng)副的自由擺動(dòng)，這樣便限制了腿部的擺動(dòng)，能夠使連桿曲線完整的傳遞到腳部，完成所需要的運(yùn)動(dòng)。

運(yùn)用兩個(gè)連桿機(jī)構(gòu)，其曲柄初始相位差為180度便可以實(shí)現(xiàn)兩腿的交替上下運(yùn)動(dòng)。

三、行走效果與性能

在連桿機(jī)構(gòu)與身體組裝好之后，在平整的路面進(jìn)行行走測(cè)試，以驗(yàn)證其行走效果是否滿足要求。

此次試驗(yàn)中，雙腿運(yùn)動(dòng)比較和諧，可以穩(wěn)定的前行。在行走過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)停滯摔倒現(xiàn)象，證明連桿曲線的運(yùn)動(dòng)方式可行。

四、總結(jié)

通過(guò)運(yùn)用有關(guān)機(jī)械、電氣的有關(guān)知識(shí)實(shí)現(xiàn)了電機(jī)及連桿系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)配合。連桿式雙足機(jī)器人與傳統(tǒng)輪式和履帶式機(jī)器人相比，該機(jī)器人可以適應(yīng)摩擦力較小的地面。組成的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，大幅度降低了制作成本；其次，該機(jī)器人可以增加靈活的手部機(jī)構(gòu)，可以在光滑、微重力地面順利完成工作。目前機(jī)器人正代替人類完成許許多多工作，連桿式雙足機(jī)器人有廣闊的應(yīng)用前景，相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)，連桿式雙足機(jī)器人會(huì)廣泛的應(yīng)用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，使我們的工、農(nóng)業(yè)飛速發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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[2]孫恒，陳作模，葛文杰.機(jī)械原理[M].北京：高等教育出版社，2006：151-152.

[3]華大年，華宏志.連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用創(chuàng)新[M].北京機(jī)械工業(yè)出版社，2008：1.