單排雙足機器人的機械結構設計

摘 要：本文將以雙足步行機器人作為研究對象，雙足步行機器人集機械、電子、計算機、仿生學、人工智能、自動控制等多門學科于一體，已成為機器人研發領域的熱點。本文旨在設計一種結構簡單控制簡便的小型雙足步行機器人，利用小型步進電動推桿代替傳統電機，減小機器人的體積和負荷，利用Pro/E對機器人的下肢機構及相關零件進行3D建模和組裝，結合人體行走的姿態和行為，對機器人的步態進行規劃和設計，

關鍵詞：雙足步行機器人；步進電動推桿；步態設計；步行機理

注：福建省中青年教師教育科研項目（編號JA15589）

雙足步行機器人配置了多個自由度，其運動的靈活性大為增強。可以通過擺動關節調節機器人的下肢高度來調節重心，所以其穩定性很高，不容易跌倒。雙步行機器人還可在顛簸或有障礙的路面行走作業，特別是對泥土、沙子、石頭地形的適應性較強，因此機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器人在靈活性和機動性方面更勝一籌。

1 步態設計

機器人合適的步態連續步行運動的關鍵。以下兩種是最為常用的步態設計方法：

基于仿生的步態設計：由于人造的雙足步行機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直接用于步行機器人。目前主要解決方法是將人的步行運動數據記錄進行修正，然后再用于雙足步行機器人。

基于分析、構造的步態設計：這種方法是有條件限制的，只有在滿足步行穩定性的前提下，根據步行參數和機器人自身結構，確定雙足步行機器人各個關節的運動軌跡。

2 自由度的配置

本文的雙足步行機器人僅實現直線行走、靜態轉彎，最終決定骸關節配置2個自由度，包括俯仰和偏轉自由度，膝關節配置1個俯仰自由度，踝關節配置有俯仰和偏轉2個自由度，每條腿配置5個自由度，兩條腿共12個自由度。骸關節、膝關節和踝關節的俯仰自由度共同協調動作可完成機器人的在徑向平面內的直線行走功能；骸關節和踩關節的偏轉自由度協調動作可實現在側向平面內的重心轉移功能；上述關節的自由度共同協調可實現機器人的靜態轉彎功能。

3 步行機器人選材

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

4 驅動元件的比較與選擇

1）直流電機

直流電機是機器人平臺的標準電機，它功率調節范圍寬、適應性強、性價比高、適用范圍很廣，很多輪式機器人都采用的直流電機。直流電機可以運行在8000-20000r/min之間，甚至更高。因此需要安裝齒輪減速器，來降低電機轉速，同時也增大了電機的轉矩。在機器人上我們可以直接使用減速電機，但這無形中給機器人的電源增加了負擔。

2）步進電機式電動推桿

直線電機也稱推桿電機，是一種將旋轉運動轉變為推桿的直線往復運動的電力驅動裝置。原理：電動機經齒輪減速后，帶動一對絲桿螺母。把電機的旋轉運動變成直線運動，利用電動機正反轉完成推桿動作。電動推桿在一定范圍行程內作往返運動，一般電動推桿的負荷和行程也可根據不同應用條件要求設計定做。相比其它電機直線電機有著以下優點：設計新穎精致、體積小、精度高、完全同步、自鎖性能好、衛生，電機直接驅動，不需要管道的氣源、油路。由于雙足步行機器人要求的精度要求比較高，而直流電機通電就轉，斷電后在慣性作用下又不會馬上就停，比較難進行機器人的位置控制；并且從體積小、高力矩、高精度、穩定性好、控制簡單、裝配靈活、等因素去考慮，選擇步進電機式電動推桿來作為驅動元件為佳。

3）控制元件的選擇

本課題設計中采用三菱FX2N_64MT_D 型PLC。三菱PLC是日系品牌，指令較多，編程直觀易懂，學習難度較低，對于本科階段的設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保養工作。

5 結構設計

雙足步行機器人的腰部是聯接兩條腿的橋梁，是機器人實現行走不可或缺的元件，本設計方案中腰部還被要用來實現機器人的轉彎動作。利用三維軟件PRO/E對機器人腰部三維建模，髖關節的仿生設計效果圖如1所示

1） 足部機構設計

足部關節的仿生設計如2所示

為了使機器人在行走過程中更加平穩，需考慮在足部增加個減震機構，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

未來的機器人行為姿態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，以最優化最合適的方法去施行；未來機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。總的來說未來機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展。

作者簡介

楊建有（1985-），男，漢，福建三明，本科，講師，研究方向：機電一體化。