基于并聯機械腿的六足機器人分析與設計

葉俊++吳宏熊++葉曉偉

摘 要

本文在簡要介紹了并聯機械腿與六足機器人的基礎上，對機器人整體及機械腿構型進行了分析，并重點闡述了基于并聯機械腿的六足機器人的整體設計問題，希望能夠為有關人員提供參考。

【關鍵詞】并聯機械腿 六足機器人 設計

六足機器人是機器人中的一種主要類型，傳統六足機器人機械腿的設計往往采用串聯的形式來完成，由此導致的機器人或體型過于單薄或行動不夠靈活的問題對設計水平的提高造成了嚴重阻礙，基于并聯機械腿的六足機器人的設計能夠有效解決這一問題。1 六足機器人與并聯機械腿

六足機器人是多組機器人中的一種，是以仿生學為基礎所設計的機器人形式，主要仿照蜘蛛的爬行方式所設計。傳統的履帶式機器人在崎嶇不平的路面行走時，很容易受到路面狀況的影響而出現行走不流暢的問題，六足機器人的出現使得這一問題得到了很好的解決，就目前的情況看，六足機器人的設計已經成為了機器人領域的重點。

并聯機械腿是相對于串聯機械腿的一大概念，是多足機器人機械腿設計的一種主要方法，相對于傳統的以串聯為主的機械腿設計形式而言，有研究認為，并聯機械腿在平衡性方面更好，同時也能夠達到行動更加靈活的效果。

2 機器人整體及機械腿構型分析

2.1 機器人整體構型

六足機器人仿照六足動物而設計，根據對六足動物腿部結構的觀察發現，一般存在兩種結構，第一種結構中，六條腿的自由度數量以及類型均相同，各條腿之間呈現復制關系；第二種結構中，六條腿的結構對稱相同。本文中六足機器人的整體設計采用第一種構型方式。六足動物腿與軀干的連接點在軀干的布局形式主要包括兩種，一種為軸對稱布局，另一種為面對稱布局。其中，第一種情況下，六條腿均勻分布在軀干的各個方向，而第二種情況下，六條腿在分布在軀干的左右兩側。根據對力學理論等的考慮，決定將六足機器人的整體構型選擇為軸對稱的方式。

2.2 機械腿整體構型

六足機器人足的形式包括兩種：一種與地面之前采用點接觸的方式；第二種與地面之間采用面接觸的方式。兩種方式所遵循的力學原理不同，同時對于機械腿的要求也不盡相同。根據對力學等方面的數據的計算與分析，將機械腿的整體構型確定為了2-UPS+UP的形式。

3 基于并聯機械腿的六足機器人的整體設計

3.1 基于（U+UPS）P+UPS機構的六足機器人設計

基于（U+UPS）P+UPS機構的六足機器人的設計，其機械腿采用了軸對稱的布局方式，在這一布局方式的基礎上，六足機器人的每一條腿在軀干中都呈均勻分布，以此為基礎，完成了機器人的設計。

機器人主要包括7個組成部分，分別為控制計算機、軀干、伺服電機驅動器、機械腿連接器、機械腿、球面副與足。

（1）控制計算機，功能在于實現對機器人行為的全面控制；

（2）軀干，是機器人的主要組成部分；

（3）伺服電機驅動器，功能在于實現對六條腿的驅動，以使機器人能夠實現行走；

（4）機械腿連接器，功能在于將軀干、驅動器以及計算機控制器三者與機械腿連接起來，以為上述三者對機械腿的共同控制成為可能。

（5）機械腿，功能在于在1、2、3的控制下，實現行走；

（6）球面副；

（7）表足。將6與7連接的目的在于使足能夠貼近地面，以保證機器人行走的穩定性。

3.2 基于2-UPS+UP機構的六足機器人試驗樣機研制

在2-UPS+UP機構的基礎上，通過對六足機器人各項參數的計算，最終研制出了具體的試驗樣機，其構成情況如圖1。

在試驗樣機中，1代表軀干組件，組件中包括與軀干有關的眾多部件。2代表控制系統，即以計算機技術為基礎的，實現對機器人行走以及行為方式的控制的核心系統，是機器人行走實現的主要保證。3代表機械腿連接架，功能在于將機械腿與核心部件以及軀干相連接。4代表驅動通信組件；5、6、7分別代表機械腿、彈簧球面副和足。

通過將上述設計效果應用與實踐發現，該機器人在真正構建完成之后，其結構十分緊湊，因此不會出現串聯機械腿中六足機器人體型過于龐大的問題，實踐證明，及時在狹小的空間內，該機器人也能夠靈活行動。通過以并聯機械腿代替串聯機械腿的方法，使得該機械人的承載能力得到了極大程度的提高，通過實踐發現，其承載力能夠得到150kg的標準。

由于機器人的核心控制系統處于軀干頂部，因此即使在穿越沼澤以及其他路況較差的區域時，其核心控制系統也不會被破壞，這對于機器人性能的保證具有極大的價值。通過藍牙通信的方式，工作人員還能夠利用平板電腦等設備，對機械人進行自由的控制。

4 結論

相對于傳統的串聯機械腿而言，并聯機械腿具有行動靈活且承載力強的特點，以此為基礎所設計的六足機器人，性能更加完善，因此，有必要將并聯機械腿應用到六足機器人的設計過程中。需要注意的是，為保證設計效果，必須提高各項參數計算的準確性，這樣才能使機器人各部分結構功能得以正常發揮，同時能夠保證機器人各部分功能得到綜合，這對于其功能的實現十分重要。

參考文獻

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作者單位

1.武漢職業技術學院 湖北省武漢市 430074

2.國網浙江省電力公司麗水供電公司 浙江省麗水市 323000