兩足步行機器人設計

左其波　王春玲　歐陽常童

摘要：近年來，機器人被越來越多的人所熟知，伴隨著兩足步行機器人研究技術的迅速發展。目前，機器人行走的方式很多，比如用輪式和履帶式行走實現行走功能。但真正能夠用腿步行機器人還是空谷足音。因此，對于兩足步行機器人研究逐漸成為人們的熱點。本課題首要針對兩足步行機器人穩定的行走所需要的配置。

關鍵詞：兩足步行機器人；設計；制作

中圖分類號：TP24 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）09-0104-02

機器人也是最近幾十年發展起來的一門新學科，歷史不久，但由于他的模仿人類能力強，適應性強的特點，吸引了全球各國科學人員的濃厚興趣。由于現在的機器人依靠履帶和輪式來進行移動，首先要想研究設計兩足步行機器人，先應該對機器人的整體有一個比較深的認識。由于兩足步行機器人要完全模擬人類的應該有的動作（上下樓梯，轉彎動作，在不規則的地面上行走等），本文從以下幾個方面鉆研機器人的步行功能。

1 目標設定

研究步行機器人的難點首要表現在兩足步行機器人具有多種關節，多個驅動器，多個自由度的特點；而且自由度的設計，各關節的活動直接影響機器人的外觀、步行方式、活動范圍的大小等。我們人類行走時的主要過程：有左右腿相互交替邁腿，收腿，達到向前步行的目的，主要需要七個過程。它的基本要求體系穩定性要好。

我們所研究的這款機器人不但能滿足在不規則的地面行走還能進行轉彎的穩定操作。因此，我們對機器人的關節、高度、自由度的設置要求必須是非常的嚴格。要想設計出這款機器人對我們的難度也是挺大的。

2 自由度的配置

自由度兩足機器人如果要完成一些關于和人類相似的行為動作，那么它一定要有和人類相似的自由度。人類有上百個自由度和關節，所以對于機器人關節的選擇，自由度的選擇是至關重要的。

2.1 關節的確定

機器人的整體設計關鍵之一是關節的設計，在現實生活中，科研人員常常按照研究的需求來設計機器人的系統結構和自由度的配置。自古以來人類行走時手腳同時并用，而且肩膀和腰部也是不停地轉動來實現步行。在我們快要摔倒的時候，我們可以利用腳掌出力，腳趾壓住地面，就可以保持身體的穩定。要做到這一系列對于機器人來說是相當困難。我們發現機器人即便沒有腳趾，行走時也是沒有影響的，如果加上腳趾的話將使機器人結構變得很復雜，增加控制難度。所以，目前我們只研究機器人行走時最基本且必要的關節，結果表明：機器人至少有髖、膝、踝三個關節。因為這三個關節是實現兩足步行機器人行走的主要原因，使得機器人穩定步行才成為可能。這三個關節對于穩定的行走來說是不可缺少，雖然它們擔任著不同的工作，但它們在身體中起著緊密聯系的作用，和我們的人體系統一樣，缺一不可。在它們對機器人在步行過程中分別起到輔助平衡作用、實現支撐髖關節作用、實現邁步并使上軀體運動以及調整腳掌與地面的接觸狀況，以至于達到維持機體的穩定性。

2.2 自由度的確定

根據科研人員的研究報告，我們也得出了機器人最低限度下的自由度配置，應該還要在髖部和踝部各設置兩個自由度，使得機器人可以在不平整的地面上站立以及步行。而要使得方便的上下臺階，只需要在膝關節上的一個自由度。因此，我們基本上可以設計一個完整的腿部，它每條腿上的自由度配置的要求是七個自由度。

考慮到兩足步行機器人不僅能夠可以完成走直線的目標，而且還能實現轉彎的動作，所以我們將在頸部設計一個扭轉自由度，還需要在頭部增加一個前后向自由度并且要安裝一個攝像頭，使得機器人在頭部自由度的作用下具有更大的掃描范圍。

3 結構設計

3.1 布置對稱性

結構對稱對機器人研究來說也是關鍵的。就像人體一樣，每個肢體關節都是對稱的，使我們的重量達到平衡，維持身體的穩定性。對于兩足步行機器人來說，也是這樣的，我們主要研究機器人的腿部，故機器人的腿部的對稱變得相當重要了。我們會按照這一點，對機器人的結構設計就會采取對稱性布置的方式來進行設計。

3.2 驅動方案比較與電機布置

眾所周知，機器人體積不能過于大，整個機體更不能太笨拙。由于現在的技術水平，機器人常用的驅動方式有三種基本類型方式，分別是液壓驅動，氣壓驅動和電動驅動。液壓驅動是一種成熟的技術，它的特點是功率大、成本高、結構簡單，可以省空間，還有易于實現直接驅動的特點；氣壓驅動具有運行速度快、系統結構簡單、所需材料價格低、媒介無污染等特點，但該驅動方式實現伺服控制過于困難。不僅如此，這兩種驅動方式其他方面的有缺點，操作起來不是特別好。然而電機驅動就不同于他們，它的成本低、精度高、安全性好、而且不需要轉換能量，控制起來方便靈活。現在機器人中電動驅動被廣泛的選用舵機是一種形式獨特的電機，舵機具有體積結構密集可以便于安放輸出力矩，還具有穩定性好，控制方便等特點，也就使得對機器人結構的控制變得簡單起來，而且也降低了制造機器人的本錢。舵機主要由如下的部件組成：外殼、電路板、無核心馬達、齒輪與位置檢測器、直流機等。那么信號是怎么控制電機轉動呢？舵機幾乎都有最大旋轉角度，與普通電流電機的不同的一面是直流電機轉動方式是一圈一圈的，而舵機只能以角度為界限伴隨轉動著，不能和直流電機一圈一圈的轉動著，因此，舵機可以通過轉動的角度來反饋信息并且帶動反饋電位計的位置，從而達到控制電機轉動的目的，進而又減少了購買設備的成本。

機體各部分的比例與人體比例差不多，對于空間的要求就很高，大部分元器件都放入機器人軀干內部也是一件不可能的事，由于機器人內部空間有一定的限度，同時頭部和肩部的也需要有共同放置空間。此外，機器人的控制一些計算機等控制器元件也要占用軀干內部空間的一部分。所以，在設計時，所附帶的驅動器等盡可能放置在下肢剩余的空間里面。這樣一來，設計的不但符合人體尺寸比例，而且也有利于減小腿部的慣量，從而達到減小能量損耗的目的，而且保持了自身的穩定性。

3.3 減震性問題

人類的關節是由我們的肌肉保護著，當我們的關節接觸到地面時，可以起到一定的減震作用，避免的過重的傷害。因此，減震器對于機器人來說是必不可少的，選擇什么樣的減震器也成了我們所要探究的問題。經過一番研究查詢資料，我們決定使用諧波減震器。

4 結語

本文課題的研究任務主要是設計兩足步行機器人適應在不平穩的，有障礙的以及地面行走方案，以及會轉彎，可以實現更多的仿人工作。根據對兩足機器人的研究，并對其進行結構分析，我們基本上可以確定該機器人所需要的關節的類型、自由度的配置，減震器的選擇。并且將這三種驅動器進行了比較，最終我們選擇了舵機作為動力源。

參考文獻

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