韋勇 陳美玲 崔安琪 羅秋艷 胡義華

基金項目：柳州市科技開發(fā)項目（項目編號：2017BA20203）。

作者簡介：韋勇（1971—），男，本科，工程師，研究方向為機(jī)械制造工藝與設(shè)備。

通信作者：胡義華（1972—），男，碩士，副教授，研究方向為工業(yè)機(jī)器人技術(shù)。E-mail：huyh2003@163.com。

摘要：本文設(shè)計了一種四足步行機(jī)器人，其可在搭載平臺裝置條件下來平緩?fù)瓿芍本€及轉(zhuǎn)彎運(yùn)動。首先，對步行機(jī)器人的行走和轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)進(jìn)行尺寸設(shè)計;其次用ProE和CAD軟件對該推進(jìn)系統(tǒng)平臺進(jìn)行三維建模;最后通過機(jī)構(gòu)行走過程仿真進(jìn)行機(jī)構(gòu)的動作及速度驗證，結(jié)果表明，該設(shè)計機(jī)器人能夠平緩?fù)瓿深A(yù)期動作，為以后開發(fā)這種結(jié)構(gòu)的行走機(jī)器人提供了參考。

關(guān)鍵詞：四足機(jī)器人;結(jié)構(gòu)設(shè)計;三維建模;運(yùn)動仿真

中圖分類號：TP391? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TH12

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2201-5640-7674

Abstract： In this paper， a quadruped walking robot is designed， which can smoothly complete straight line and turning motion under the condition of carrying platform device. Firstly， the walking and turning structures of the walking robot are designed. Secondly， the ProE and CAD software are used to make 3d modeling of the propulsion system platform. Finally， through the simulation of the walking process of the mechanism， the action and speed of the mechanism are verified. The results show that the designed robot can smoothly complete the expected action， which provides a reference for the future development of the walking robot with this structure.

Key words： Quadruped robot; Structural design; Three-dimensional modeling; Motion simulation

近年來，機(jī)器人廣泛應(yīng)用于軍事、能源、汽車等行業(yè)，所以如何研發(fā)出運(yùn)行效率高、穩(wěn)定性好、功耗低的機(jī)器人具有重要意義[1-2]。目前，國內(nèi)外已投入市場或服役的行走機(jī)器人雖種類繁多，但都具有一定應(yīng)用局限性，如履帶式機(jī)器人中的履帶結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的轉(zhuǎn)向緩慢困難，經(jīng)濟(jì)性差，噪音大;輪式移動機(jī)器人可以轉(zhuǎn)向相對靈活，但僅適用于地面平坦的道路，在惡劣的野外山地、沼澤地等地形中難以應(yīng)用。而步足式機(jī)器人性能介于兩者之間，其結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，雖承載小，但具有良好的機(jī)動性。本文根據(jù)步足式機(jī)器人具有的良好機(jī)動性、穩(wěn)定性以及低能耗的特點(diǎn)，設(shè)計一種可以自由行走的四足機(jī)器人，其可以在搭載負(fù)載平臺的條件下在陸地等復(fù)雜環(huán)境下可靠工作。

1 工作原理

本設(shè)計的目的是設(shè)計一款能自由行走的四足機(jī)器人，要求該結(jié)構(gòu)的行走機(jī)器人在行走過程中四足協(xié)調(diào)，在直線行走和轉(zhuǎn)彎的過程中始終保持平穩(wěn)。

為了便于控制，提高整個機(jī)構(gòu)的運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性，本設(shè)計采用每一條腿的運(yùn)動由一個獨(dú)立的電機(jī)控制，轉(zhuǎn)彎由另外的獨(dú)立電機(jī)控制，下文詳細(xì)介紹四足行走機(jī)器人的腿部和轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)的設(shè)計。

2.1 機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了實(shí)現(xiàn)腿的基本功能，完成抬起、彎曲、向前跨步、然后落地的4個動作更加平穩(wěn)，機(jī)器人腿部運(yùn)動結(jié)構(gòu)采用典型的平面六連桿機(jī)構(gòu)，每個腿由獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動，電機(jī)首先驅(qū)動曲柄，然后帶動小腿和大腿聯(lián)動，實(shí)現(xiàn)腳部的移動。大小腿連桿全部由低副組成，腳部設(shè)計成人足形，便于與在小腿擺動時與地面更好地接觸。通過控制4個電機(jī)的驅(qū)動順序，實(shí)現(xiàn)雙腿聯(lián)動的方式實(shí)現(xiàn)四足移動，單個腿部的詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖1所示[3]。

2.2機(jī)器人轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了保證轉(zhuǎn)彎時前后兩條腿動作協(xié)調(diào)，分別采用4個電機(jī)控制前腿和后腿。其中，控制原理均為電機(jī)通過驅(qū)動軸驅(qū)動一對直齒圓錐齒輪，通過齒輪的轉(zhuǎn)動帶動傳動軸，傳動軸下面連接腿部，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎運(yùn)動，詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。在轉(zhuǎn)彎過程中，為了保證四足的轉(zhuǎn)彎協(xié)同，通過調(diào)節(jié)4個電機(jī)的轉(zhuǎn)動的頻率與轉(zhuǎn)動的幅度，來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎過程中的整個機(jī)器人轉(zhuǎn)彎的方向控制，進(jìn)而能控制機(jī)器人正常行走工作。

當(dāng)機(jī)器人完成直線行走時，僅通過腿部電機(jī)驅(qū)動曲柄，通過曲柄帶動連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的直線行走;當(dāng)機(jī)器人在行走過程中前方遇到障礙物時，控制轉(zhuǎn)彎的時候，分為兩個控制過程：一是轉(zhuǎn)彎電機(jī)輸出軸旋轉(zhuǎn)推動錐齒輪的轉(zhuǎn)動，四足依次側(cè)方向偏轉(zhuǎn)完成相應(yīng)的角度;二是行走電機(jī)依舊控制前進(jìn)。當(dāng)轉(zhuǎn)彎行走完成以后，轉(zhuǎn)彎電機(jī)依次控制四足反轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度使機(jī)器人的腿部恢復(fù)到正常位置，繼續(xù)向前保持直線行走[4]。

2.3整體結(jié)構(gòu)方案

為了保證機(jī)器人在行走及轉(zhuǎn)彎時各足間的不產(chǎn)生干涉問題，以及4個電機(jī)的合理布置使四足的受力對稱，該四足行走機(jī)器人采用上部平板式布局，4個轉(zhuǎn)彎電機(jī)及四足的結(jié)構(gòu)采用前后對稱布局，整體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖3、圖4所示[5]。

通過圖3和圖4看，在采用這種布局方式時，為了避免轉(zhuǎn)彎側(cè)翻或前后腿間運(yùn)動時的干涉，前后腿的間距、前腿間、后腿間的間距都應(yīng)進(jìn)行合理布局。另外，整個機(jī)器人的重量也要進(jìn)行輕量化設(shè)計。

3 四足機(jī)器人三維建模

通過整體布局設(shè)計，在對本機(jī)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計后，為了檢驗整個機(jī)構(gòu)運(yùn)行的具體情況，采用Pro/E軟件對步行機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模及結(jié)構(gòu)運(yùn)動仿真，檢查各部件間是否存在尺寸不合適、裝配干涉[6]及運(yùn)動是否協(xié)調(diào)。通過Pro/E軟件，分別構(gòu)建了行走機(jī)器人站立、小跑姿態(tài)、轉(zhuǎn)彎的三維模型，分別如圖5、圖6、圖7所示。

由圖5可見，當(dāng)機(jī)器人站立時，四足同時支撐地面，這是機(jī)器人的初識位置。

由圖6可知，當(dāng)機(jī)器人在相對平坦無障礙條件下直線行走時，單個腿的運(yùn)動是由腿部電機(jī)帶動大腿曲柄連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)擺動，同時大腿連桿帶動小腿連桿上下擺動，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人單腿行走時的全部動作過程。通過控制4個電機(jī)的協(xié)調(diào)完成四足動作，帶動機(jī)器人完成直線行走。在整個運(yùn)動過程中，始終保持四足中斜對兩足同時離開地面，另外兩足支撐整個機(jī)體。

由圖6可知，在行進(jìn)過程中遇到障礙物時，行進(jìn)電機(jī)帶動前行的同時，轉(zhuǎn)彎電機(jī)帶動轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)中錐齒輪旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人腿部進(jìn)行側(cè)方向偏移，腿部的偏移需在足部離開地面時進(jìn)行[7-8]。

4機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真

為了驗證機(jī)構(gòu)運(yùn)行的平穩(wěn)性，對本結(jié)構(gòu)的機(jī)器人進(jìn)行了機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真。本次仿真設(shè)置單次步距為0.02m，整個結(jié)構(gòu)行走的速度為0.02m/s。通過機(jī)構(gòu)仿真規(guī)劃了機(jī)器人小跑時的步態(tài)運(yùn)動分析圖，規(guī)定初試運(yùn)動時，首先是左前腳和右后腳運(yùn)動，左前腳和右后腳著地后右前腳和左后腳運(yùn)動抬起，然后交替進(jìn)行完成行走，如圖9所示。通過行走的運(yùn)動仿真，得到單個腳步的運(yùn)動軌跡曲線如圖9所示。

為了進(jìn)一步機(jī)構(gòu)運(yùn)動的可行性，采集了機(jī)器人單個腳趾在行進(jìn)方向（X）上的位移和速度曲線，如圖10所示[9-10]。由動態(tài)曲線可知，該行走機(jī)器人的步態(tài)周期位置為，實(shí)際行走周期為12s，位移為。由于速度是周期性變化的，其行走速度約為0.0117m/s。在行進(jìn)過程中，曲柄旋轉(zhuǎn)一次，機(jī)器人前進(jìn)一步。通過仿真發(fā)現(xiàn)，在直線行進(jìn)中，速度是恒定的，當(dāng)轉(zhuǎn)彎時，速度會有一定的衰減，但行進(jìn)過程比較平穩(wěn)。

通過結(jié)構(gòu)仿真發(fā)現(xiàn)，采用該結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)最初的設(shè)計目標(biāo)，機(jī)器人能夠按照預(yù)計的設(shè)計要求完成相應(yīng)的動作，運(yùn)動過程平穩(wěn)，但實(shí)際的運(yùn)行速度較理想狀態(tài)稍低，足部沒有設(shè)計減震裝置，地面適應(yīng)性較差。通過仿真后，后續(xù)可對機(jī)器人足部設(shè)計減震裝置，然后進(jìn)行機(jī)器人的實(shí)體設(shè)計，進(jìn)行實(shí)際機(jī)構(gòu)的真實(shí)環(huán)境測試。

5 結(jié)論

為滿足陸地等復(fù)雜環(huán)境下可靠工作，本文設(shè)計了一種能自由行走的四足步行機(jī)器人，通過機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真驗證了該四足機(jī)器人可以完成直線及轉(zhuǎn)彎行進(jìn)，機(jī)器人的背部可以搭載平臺裝置來完成其他任務(wù)要求。在仿真中本文僅對行走機(jī)器人的直線行走和轉(zhuǎn)彎進(jìn)行了簡單的仿真，沒有對機(jī)器人的具體運(yùn)動進(jìn)行試驗分析，在接下來的研究中需要輸入機(jī)器人步行機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)具體的運(yùn)動角度，從而對行走機(jī)器人進(jìn)行更加準(zhǔn)確的試驗研究，具體結(jié)論如下：

（1）通過規(guī)劃步行腿的運(yùn)動原理、各個連桿的尺寸關(guān)系及控制方式，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人的直線步行及轉(zhuǎn)彎行走;

（2）通過三維軟件Pro/E建模及機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真，該結(jié)構(gòu)的四足機(jī)器人能夠滿足設(shè)計要求;

（3）目前設(shè)計的機(jī)器人地面適應(yīng)性較差，還需進(jìn)一步對腿部進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，進(jìn)一步研究機(jī)器人運(yùn)動參數(shù)的精準(zhǔn)控制及運(yùn)動穩(wěn)定性能。

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