摘 要：本文將以雙足步行機(jī)器人作為研究對象，雙足步行機(jī)器人集機(jī)械、電子、計算機(jī)、仿生學(xué)、人工智能、自動控制等多門學(xué)科于一體，已成為機(jī)器人研發(fā)領(lǐng)域的熱點。本文旨在設(shè)計一種結(jié)構(gòu)簡單控制簡便的小型雙足步行機(jī)器人，利用小型步進(jìn)電動推桿代替?zhèn)鹘y(tǒng)電機(jī)，減小機(jī)器人的體積和負(fù)荷，利用Pro/E對機(jī)器人的下肢機(jī)構(gòu)及相關(guān)零件進(jìn)行3D建模和組裝，結(jié)合人體行走的姿態(tài)和行為，對機(jī)器人的步態(tài)進(jìn)行規(guī)劃和設(shè)計，

關(guān)鍵詞：雙足步行機(jī)器人；步進(jìn)電動推桿；步態(tài)設(shè)計；步行機(jī)理

注：福建省中青年教師教育科研項目（編號JA15589）

雙足步行機(jī)器人配置了多個自由度，其運動的靈活性大為增強(qiáng)?？梢酝ㄟ^擺動關(guān)節(jié)調(diào)節(jié)機(jī)器人的下肢高度來調(diào)節(jié)重心，所以其穩(wěn)定性很高，不容易跌倒。雙步行機(jī)器人還可在顛簸或有障礙的路面行走作業(yè)，特別是對泥土、沙子、石頭地形的適應(yīng)性較強(qiáng)，因此機(jī)器人行走時不用去考慮地形的好壞和腿部的放置位置是否合適，相比其他移動式的機(jī)器人在靈活性和機(jī)動性方面更勝一籌。

1 步態(tài)設(shè)計

機(jī)器人合適的步態(tài)連續(xù)步行運動的關(guān)鍵。以下兩種是最為常用的步態(tài)設(shè)計方法：

基于仿生的步態(tài)設(shè)計：由于人造的雙足步行機(jī)器人不可能做到百分之百模仿人類的行為舉止，所以不能將仿生步態(tài)直接用于步行機(jī)器人。目前主要解決方法是將人的步行運動數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行修正，然后再用于雙足步行機(jī)器人。

基于分析、構(gòu)造的步態(tài)設(shè)計：這種方法是有條件限制的，只有在滿足步行穩(wěn)定性的前提下，根據(jù)步行參數(shù)和機(jī)器人自身結(jié)構(gòu)，確定雙足步行機(jī)器人各個關(guān)節(jié)的運動軌跡。

2 自由度的配置

本文的雙足步行機(jī)器人僅實現(xiàn)直線行走、靜態(tài)轉(zhuǎn)彎，最終決定骸關(guān)節(jié)配置2個自由度，包括俯仰和偏轉(zhuǎn)自由度，膝關(guān)節(jié)配置1個俯仰自由度，踝關(guān)節(jié)配置有俯仰和偏轉(zhuǎn)2個自由度，每條腿配置5個自由度，兩條腿共12個自由度。骸關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的俯仰自由度共同協(xié)調(diào)動作可完成機(jī)器人的在徑向平面內(nèi)的直線行走功能；骸關(guān)節(jié)和踩關(guān)節(jié)的偏轉(zhuǎn)自由度協(xié)調(diào)動作可實現(xiàn)在側(cè)向平面內(nèi)的重心轉(zhuǎn)移功能；上述關(guān)節(jié)的自由度共同協(xié)調(diào)可實現(xiàn)機(jī)器人的靜態(tài)轉(zhuǎn)彎功能。

3 步行機(jī)器人選材

步行機(jī)器人的選材主要從工作環(huán)境、機(jī)械強(qiáng)度、外觀視覺等幾個方面去考慮，設(shè)計的機(jī)器人要能適應(yīng)各種不同的工作環(huán)境。因為在日常生活中不確定因素太多，所以為了能保證機(jī)器人的穩(wěn)定運行，要充分考慮各種能影響到穩(wěn)定運行的可能性，特別是生活中一些帶有腐蝕性的物質(zhì)，所以選材料必須能耐腐蝕、耐磨損、耐高溫?？紤]到步行機(jī)器人的運動特性，在材料上要選擇較高的抗拉強(qiáng)度、硬度和韌性，同時也要兼顧步行機(jī)器人的外觀視覺，一個好的產(chǎn)品總能給人一個好的品相。為保證步行機(jī)器人的良好的綜合性能，選用316L奧氏體不銹鋼作為機(jī)器人的材料是再好不過的。316L奧氏體不銹鋼可耐多種介質(zhì)腐蝕、尤其是抗擊點蝕效果顯著，具有優(yōu)秀的機(jī)械特性且光澤度好，外觀漂亮。

4 驅(qū)動元件的比較與選擇

1）直流電機(jī)

直流電機(jī)是機(jī)器人平臺的標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)，它功率調(diào)節(jié)范圍寬、適應(yīng)性強(qiáng)、性價比高、適用范圍很廣，很多輪式機(jī)器人都采用的直流電機(jī)。直流電機(jī)可以運行在8000-20000r/min之間，甚至更高。因此需要安裝齒輪減速器，來降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，同時也增大了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。在機(jī)器人上我們可以直接使用減速電機(jī)，但這無形中給機(jī)器人的電源增加了負(fù)擔(dān)。

2）步進(jìn)電機(jī)式電動推桿

直線電機(jī)也稱推桿電機(jī)，是一種將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橥茥U的直線往復(fù)運動的電力驅(qū)動裝置。原理：電動機(jī)經(jīng)齒輪減速后，帶動一對絲桿螺母。把電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運動變成直線運動，利用電動機(jī)正反轉(zhuǎn)完成推桿動作。電動推桿在一定范圍行程內(nèi)作往返運動，一般電動推桿的負(fù)荷和行程也可根據(jù)不同應(yīng)用條件要求設(shè)計定做。相比其它電機(jī)直線電機(jī)有著以下優(yōu)點：設(shè)計新穎精致、體積小、精度高、完全同步、自鎖性能好、衛(wèi)生，電機(jī)直接驅(qū)動，不需要管道的氣源、油路。由于雙足步行機(jī)器人要求的精度要求比較高，而直流電機(jī)通電就轉(zhuǎn)，斷電后在慣性作用下又不會馬上就停，比較難進(jìn)行機(jī)器人的位置控制；并且從體積小、高力矩、高精度、穩(wěn)定性好、控制簡單、裝配靈活、等因素去考慮，選擇步進(jìn)電機(jī)式電動推桿來作為驅(qū)動元件為佳。

3）控制元件的選擇

本課題設(shè)計中采用三菱FX2N_64MT_D 型PLC。三菱PLC是日系品牌，指令較多，編程直觀易懂，學(xué)習(xí)難度較低，對于本科階段的設(shè)計者來說是一個很好的選擇。該型號的PLC 屬于整體式的PLC，相對來講比較節(jié)省空間，且輸入輸出都是28點的，可以留有一些余量，對于以后的開發(fā)很有益處，且三菱的FX2N系列PLC 壽命較長，可以減少日后的維護(hù)保養(yǎng)工作。

5 結(jié)構(gòu)設(shè)計

雙足步行機(jī)器人的腰部是聯(lián)接兩條腿的橋梁，是機(jī)器人實現(xiàn)行走不可或缺的元件，本設(shè)計方案中腰部還被要用來實現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎動作。利用三維軟件PRO/E對機(jī)器人腰部三維建模，髖關(guān)節(jié)的仿生設(shè)計效果圖如1所示

1） 足部機(jī)構(gòu)設(shè)計

足部關(guān)節(jié)的仿生設(shè)計如2所示

為了使機(jī)器人在行走過程中更加平穩(wěn)，需考慮在足部增加個減震機(jī)構(gòu)，利用彈簧的變形壓縮來緩沖行走過程中的震蕩。其示意圖如3所示

未來的機(jī)器人行為姿態(tài)將高度模仿人類的肢體動作，完成各種高難度的動作，不再是一步一步地按部就班地去施行人的指令，而是有思維地去思考，以最優(yōu)化最合適的方法去施行；未來機(jī)器人的外表和五官將與人類無異，采用人造肌肉，人造皮膚和五官，你有可能用肉眼根本就無法判斷出來?？偟膩碚f未來機(jī)器人將朝著人工智能、自我意識、高度仿真、高度集成化的方向發(fā)展。

作者簡介

楊建有（1985-），男，漢，福建三明，本科，講師，研究方向：機(jī)電一體化。