王夢婕

（西南交通大學(xué)峨眉校區(qū) 四川峨眉 614200）

人形機器腳設(shè)計仿真

王夢婕

（西南交通大學(xué)峨眉校區(qū) 四川峨眉 614200）

人形機器人一直是機器人研究領(lǐng)域的熱點，它集中了機械電子工程、計算機工程、信息工程、自動控制工程以及人工智能和仿生學(xué)等多種學(xué)科.而中間最重要的是機器腳的設(shè)計，它關(guān)系到機器人的穩(wěn)定性，若不穩(wěn)定則不能達(dá)到我們預(yù)期的效果，而在運動過程中，步行步態(tài)的研究又至關(guān)重要，故在前人的基礎(chǔ)上，將繼續(xù)研究設(shè)計機器腳的行走的步行步態(tài)，以及確定該機構(gòu)的尺寸結(jié)構(gòu)。

行走步態(tài) 桿長確定 運動仿真

一、具體設(shè)計要求：

可按一般人高度的一定比例確定其原始參數(shù)，如腿高、步幅等，確定整個機構(gòu)各個桿件的具體尺寸和運動副類型；

二、機構(gòu)分析

2.1 機構(gòu)自由度計算

如機構(gòu)簡圖所示，該機構(gòu)具有六個活動件（BC EH BCE ADF GIJ FHG），具有八個平面低副，無高副，故自由度如下：

由上式可知，該機構(gòu)具有兩個自由度，若要使運動單一且確定，故主動件應(yīng)需要兩個，則經(jīng)分析知，AB為機架，BC為主動件，以及需要在鉸G處裝一個電機，驅(qū)動GIJ的運動。

2.2 機構(gòu)分析

在此機構(gòu)中，ADF、CDE、FHG、IGJ構(gòu)成桁架，因此固定不動。在機構(gòu)運動過程中，模擬腳踝和膝蓋處的運動是關(guān)鍵的，IGJ作為桁架只需要研究G和模擬膝蓋為F點，故只需要研究G、F兩點。

在桁架FHG中，G的運動可由H、F兩點來確定，而F、H的運動又由A-D-C-E-H-F這一各部分確定，又因為ADF、DCE是兩個桁架，則F、H的運動分析可以簡化為D-E-F-H這一四桿機構(gòu)運動的分析。同理，A-B-C-D也可近似地認(rèn)為是一個四桿機構(gòu)，且AB為機架。并且在分析過程中，從下至上依次分析，即先分析D-E-F-H，隨即分析A-B-C-D。當(dāng)分析D-E-F-H時，將桿DE看做機架，并且此四桿機構(gòu)應(yīng)為雙搖桿機構(gòu)。

所以，這個機構(gòu)的運動分析就簡化為了兩個四桿機構(gòu)的組合。

三、走形方案與步態(tài)規(guī)劃

1.與步態(tài)規(guī)劃有關(guān)的概念

步長：在一個步行周期內(nèi)，擺動腿所移動的距離。

步行周期：擺動腿完成一步所經(jīng)歷的時間。包括一個單腳支撐期和一個雙腳支撐期。

單腳支撐期：在一個步行周期中，由一只腳對機器人進(jìn)行支撐所經(jīng)歷的時間。

雙腳支撐期：在一個步行周期中，由兩只腳同時對機器人進(jìn)行支撐所經(jīng)歷的時間。

一個完整的步行過程應(yīng)該包括起步、加速、穩(wěn)定步行、減速、停止五個階段。周期性運動包括左腿步行周期和右腿步行周期，而兩個步行周期完全對稱，時間上相差了一個步行周期，因此只需要研究一個步行周期，當(dāng)步行機器人行走較為緩慢的時候，則完整的步行過程可以近似看作只包含起步、周期性運動、停止三個步行過程。

2.步態(tài)規(guī)劃

起動階段，機器人的重心高度將由初始位置降低到合適行走的高度，同時重心在地面上的投影從兩腿中心位置移動到支撐腿上。通過機構(gòu)運動向前邁出半步，重心返回兩腿之間的中心位置。機器人就由直立的靜止?fàn)顟B(tài)過渡到了穩(wěn)定步行階段。

穩(wěn)定步行階段，雙腳交替向前邁出，重心在兩腳中間不斷轉(zhuǎn)換，始終保持在支撐腿平面內(nèi)。設(shè)向前邁步的步長為一個腳底的長度。

停止階段，先在重心在地面上的投影從兩腿之間的中心位置移動到支撐腳上的同時，是機器后腿向前跨出半步，與支撐腳齊平。再移動機器人重心到兩腿之間的中心位置同時升高重心恢復(fù)到初始位置。

3.主要參數(shù)的設(shè)定與條件假設(shè)

模擬大腿（即AF）長：480mm.

模擬小腿（即FG）長：430mm.

桁架CDE為等邊三角形.

因為在行走過程中腳抬得越高避障能力增強，但是穩(wěn)定性降低，不要求進(jìn)行避障，故行走時抬腳高度為：15mm.

在行走過程中，完成一步的時間為：6s.

在此課題研究下，只研究穩(wěn)定步行階段.

在行走過程中，腳底始終與地面保持平行。

4.主要構(gòu)件的運動軌跡分析與確定

已知可將整個機構(gòu)化簡為兩個四桿機構(gòu)的運動，故各關(guān)鍵點的運動軌跡應(yīng)為兩個四桿機構(gòu)運動的疊加?？梢詫γ總€四桿機構(gòu)中的各點在完成一步最后假設(shè)其位置。（疊加是指兩個四桿機構(gòu)分別獨立運動互不干擾，即四連桿D-E-F-G運動時，將DE看作是機架。四連桿A-B-C-D運動時，AB為機架，然后進(jìn)行疊加）

四連桿D-E-F-H的軌跡運動分析

四連桿D-E-F-H應(yīng)為雙搖桿，故最長桿與最短桿長度之和應(yīng)當(dāng)大于其余兩桿長度之和。即：

桁架ADF在整體運動時繞A點做圓周運動，故F點速度方向垂直于AF.

四連桿A-B-C-D的軌跡運動分析

四連桿A-B-C-D為曲柄搖桿機構(gòu)，其中AB為機架，BC為曲柄，AD為搖桿。假設(shè)AB為最長桿，則：

在整體機構(gòu)的運動中，點F應(yīng)該繞A點做圓周運動。

5.機構(gòu)運動尺寸綜合計算

5.1 尺寸綜合

因該機構(gòu)如果完全使用解析法計算，不確定因素太多，七桿機構(gòu)的計算太過復(fù)雜，所以在此我想先假設(shè)AB、BC、CD、AD四桿的長度，然后根據(jù)其他條件計算剩余桿長，確定具體運動。

假設(shè)AB=150mm，BC=80mm，CD=120mm，AD=160mm.如下圖所示，是擺桿AD的擺角

在三角形ABD’中，AB=150，BD’=40，AD’=160，由余弦定理知

在三角形D’AD’’中，D’D’’=174.3mm.

在三角形ABD’中，由余弦定理得：