王珣 王少坤

（西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院 陜西省咸陽市 712100）

近年來，隨著智能化技術(shù)的發(fā)展，有關(guān)機(jī)器人方面的研究也漸漸走入大眾視野。中國工程機(jī)器人大賽便是一項(xiàng)為鼓勵青少年積極參與科學(xué)實(shí)踐，突破創(chuàng)新的機(jī)器人科技競賽。競速工程作為其中一個方向在追求機(jī)械擬人化的基礎(chǔ)上，以提高機(jī)器人的速度為目的。而對于小型仿人機(jī)器人來說，其機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化是完成競速任務(wù)的基礎(chǔ)和前提，一個合理完善的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能提高機(jī)器人的穩(wěn)定性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。因此，對機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)對于機(jī)器人的相關(guān)研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價值[1]。

1 機(jī)器人整體設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)需考慮問題

競速機(jī)器人要朝著類人的行走步態(tài)進(jìn)化（走起路來要像人一樣走路），因此要求設(shè)計(jì)的機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)必須是可以實(shí)現(xiàn)即能彎曲又能伸直。規(guī)定靜態(tài)時機(jī)器人腿部的水平向自由度中兩個相鄰關(guān)節(jié)最大展開角度不小于120°。必須有明顯的頭、手臂、軀干和雙足等部分，與人體的結(jié)構(gòu)比例相協(xié)調(diào)。

競速機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時需要綜合考慮舵機(jī)、支架、腳板等零件安裝的合理性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。還需考慮制作機(jī)器人主體的材料選擇問題，制作材料的材質(zhì)、硬度、剛度和質(zhì)量等條件會影響機(jī)器人的重心位置，如果選擇不當(dāng)會給后續(xù)調(diào)節(jié)帶來不必要的麻煩。

最終的設(shè)計(jì)結(jié)果要綜合考慮穩(wěn)定性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、便捷性等方面的要求[2]。

1.2 機(jī)器人自由度分配

競賽規(guī)定機(jī)器人的每條腿上必須至少設(shè)置三個水平向自由度和一個豎直向自由度（即 3 個水平軸和 1 個豎直軸）。該豎直軸用于改變機(jī)器人的前進(jìn)方向，安裝在機(jī)器人腿部的位置不作限制（可靠近腳底板，可靠近大腿根，也可在腿的中部）。要求機(jī)器人的頭部有 1 個自由度，手臂至少有 2 個自由度，行進(jìn)過程中有明顯的比較協(xié)調(diào)的擺頭和擺臂動作。

基于規(guī)則和人體結(jié)構(gòu)，我們所設(shè)計(jì)的機(jī)器人包含頸部、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腰關(guān)節(jié)、胯關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)[3]，共13 個自由度。其簡單結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

1.3 機(jī)器人驅(qū)動元件選擇

機(jī)器人驅(qū)動元件的選擇是配合好機(jī)械結(jié)構(gòu)為其提供動力的基礎(chǔ)。最常用的驅(qū)動元件有直流伺服電機(jī)、舵機(jī)和步進(jìn)電機(jī)，這三種驅(qū)動元件各自有不同的優(yōu)缺點(diǎn)和不同的適應(yīng)環(huán)境。其中數(shù)字舵機(jī)的體積小、力矩大、質(zhì)量輕，運(yùn)行噪音低、平穩(wěn)且線性度高，可控角度范圍180 度，斷電可360 度旋轉(zhuǎn)，全套金屬齒輪，間隙小，性能優(yōu)越，能夠通過舵機(jī)控制板實(shí)現(xiàn)規(guī)定角度范圍內(nèi)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，而且具有控制精度高、線性度好，與控制協(xié)議嚴(yán)格一致，輸出角度準(zhǔn)確且響應(yīng)速度快的一系列優(yōu)點(diǎn)?？梢杂脕砟７氯梭w關(guān)節(jié)，最適合作為小型仿人機(jī)器人的驅(qū)動元件[4]。

故在設(shè)計(jì)中，我們選用舵機(jī)SG90 和舵機(jī)RDS3115/3120 作為驅(qū)動元件[5]，其參數(shù)見表1。在機(jī)器人各關(guān)節(jié)中，頸部、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)通過SG90 舵機(jī)實(shí)現(xiàn)，腰胯關(guān)節(jié)通過RDS3120 大扭力舵機(jī)實(shí)現(xiàn)，膝踝關(guān)節(jié)通過普通RDS3115 舵機(jī)實(shí)現(xiàn)。RDS3115 舵機(jī)關(guān)節(jié)單元如圖2 所示， SG90 舵機(jī)模型如圖3 所示。

圖1：機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖

圖2：RDS3115 舵機(jī)關(guān)節(jié)單元

圖3：SG90 舵機(jī)模型

圖4：腿部常見設(shè)計(jì)

圖5：腿部設(shè)計(jì)改進(jìn)

圖6：腳部原有設(shè)計(jì)

圖7：腳部改進(jìn)設(shè)計(jì)

圖8：機(jī)器人結(jié)構(gòu)仿真模型

圖9：16 路舵機(jī)控制板

2 機(jī)器人結(jié)構(gòu)改進(jìn)

2.1 機(jī)器人上半身結(jié)構(gòu)改進(jìn)

機(jī)器人的頭部設(shè)有 1 個自由度，手臂有 2 個自由度，相當(dāng)于人體的脖頸和肩肘關(guān)節(jié)，能夠在機(jī)器人的行進(jìn)過程中有配合走路有較為協(xié)調(diào)的擺頭和擺臂動作。有助于機(jī)器人維持身體平衡[6]。

因?yàn)轭^部和手臂都采用SG90 舵機(jī)，其扭矩較小，故手臂和頭部連接件均需選取質(zhì)量較輕的合金金屬。

2.2 機(jī)器人腿部改進(jìn)

機(jī)器人的腿部結(jié)構(gòu)是機(jī)器人結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，其腿部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與否決定了機(jī)器人能否順利行走。

機(jī)器人每條腿上都包含三個水平向自由度和一個豎直向自由度，他們相互配合使機(jī)器人能夠完成曲腿、甚至，邁步、轉(zhuǎn)向以及轉(zhuǎn)移重心的動作。我們在該機(jī)器人腿部安裝三個舵機(jī)以完成對機(jī)器人前進(jìn)轉(zhuǎn)彎動作的控制，該機(jī)器人的腰部由兩個舵機(jī)組成，用來控制機(jī)器人左右轉(zhuǎn)向。以往的機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多采用圖4 所示結(jié)構(gòu)，舵機(jī)正向連接，這種連接方式簡單直接，但可靠性和便捷性差，且步伐調(diào)試復(fù)雜，步長較短[7]。故我們優(yōu)化為圖5 所示結(jié)構(gòu)，腿部膝關(guān)節(jié)和胯關(guān)節(jié)的舵機(jī)反向連接，選取新型框架連接件，既提高了舵機(jī)連接的穩(wěn)定度，又簡化了后期動作調(diào)試，能夠通過對稱調(diào)節(jié)完成腿部角度的變化，其步長也明顯增加。

表1：舵機(jī)參數(shù)

表2：脈沖長度與旋轉(zhuǎn)角度關(guān)系

圖10：舵機(jī)控制板調(diào)試界面

2.3 機(jī)器人腳部改進(jìn)

競速機(jī)器人的雙足結(jié)構(gòu)是類人的平板腳，要求雙足必須符合人腳形狀、近似矩形的平板腳。當(dāng)機(jī)器人站立時，從上面看，連接腳底板最外沿的連線不重合。機(jī)器人單足尺寸（即機(jī)器人單足腳底板和其上安裝的輔助器件，共同構(gòu)成機(jī)器人的單足。相當(dāng)于人類的腳底板和腳趾頭構(gòu)成人類的腳一樣）。

機(jī)器人的腳部采用一個舵機(jī)用來控制身體重心的轉(zhuǎn)移，重心的轉(zhuǎn)移[8]是機(jī)器人行走的重中之重，因?yàn)闄C(jī)器人的腳踝無法完全等同于人類腳踝，只能通過舵機(jī)的安裝使其實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)功能。為了有助于機(jī)器人轉(zhuǎn)移重心，保證其行走的穩(wěn)定性，我們選用金屬材料的腳板，并將舵機(jī)的安裝方式由圖6 改進(jìn)為圖7，小U 型連接件與腳板連接，使舵機(jī)與腳板更為貼合，重心更穩(wěn)，行走時不會出現(xiàn)來回晃動的現(xiàn)象，就像人行走時腳部牢牢抓地一樣。

為了使機(jī)器人轉(zhuǎn)向更為流暢，我們將機(jī)器人的腳板形狀改進(jìn)成內(nèi)沿為大圓角，外沿為小圓角的矩形，腳板的大小需合適，腳板過小，抓地重心不穩(wěn)，腳板過大，轉(zhuǎn)向時會出現(xiàn)兩腳板重疊而無法正常行走的現(xiàn)象[9]。

3 機(jī)器人組合安裝

將機(jī)器人身體架構(gòu)的各個部分優(yōu)化改進(jìn)后，將其組裝，通過SolidWorks 建立其結(jié)構(gòu)仿真模型如圖8。

實(shí)際安裝時，還需為其連接電源和舵機(jī)控制板,本例中，為其選擇7.4V 可充電鋰電池和16 路舵機(jī)控制板。

舵機(jī)控制板內(nèi)的單片機(jī)MCU 控制系統(tǒng)，通過PWM 脈寬型控制[10]調(diào)節(jié)舵機(jī)角度。舵機(jī)的基準(zhǔn)信號周期為20ms，寬度為1.5ms，為其提供不同長度的脈沖，就能決定舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，也即脈沖占空比。0.5ms～2.5ms 的脈寬電平對應(yīng)舵機(jī)0 度～180 度角度范圍，成線性關(guān)系。對應(yīng)的控制關(guān)系見表2。

舵機(jī)控制器多采用500～2500 數(shù)值對應(yīng)舵機(jī)控制輸出角度的占空比0.5ms～2.5ms 的范圍，其中1500 為中間位置，增大或減小分別為正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。

數(shù)字舵機(jī)與模擬舵機(jī)最大的區(qū)別在于數(shù)字舵機(jī)可以鎖定，給一次PWM 脈寬，舵機(jī)輸出角度可鎖定，直到下次給不同的角度脈寬或者斷電才可以改變角度。

通過舵機(jī)控制板與舵機(jī)間的通信，從而調(diào)節(jié)舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度和完成旋轉(zhuǎn)所需的時間，能夠?qū)崿F(xiàn)對機(jī)器人各種動作的調(diào)試。

4 總結(jié)

本文通過對機(jī)器人身體各個部分結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化，并綜合考慮制作材料、安裝零件的選擇等方面，最終設(shè)計(jì)出一個較為科學(xué)的人形機(jī)器人，既滿足競賽規(guī)則所需，也能用于相應(yīng)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)。該機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)大步幅，高步頻的快速行走且保持重心穩(wěn)定。經(jīng)過競賽測試，機(jī)器人能協(xié)調(diào)、快速、穩(wěn)定的完成動作，取得了較好的比賽成績。