新型的氣壓式仿人機器人腰部機構設計及其運動仿真

王穎嫻

(西安職業技術學院，西安 710032)

0 引言

隨著信息技術的發展，仿人機器人走進人們的視野，機器人市場正在不斷擴大，未來生活中人們必將會越來越依賴機器人去完成各種任務。機器人的擬人化行為不僅可以給人們帶來身體及心理上的舒適感，而且可以提高人機的合作效率。仿人機器人是一個多自由度、非線性、具有復雜運動學、動力學特征的系統，仿人機器人主要是根據人體的各部分的基本結構與運動機理進行研究，腰部機構作為仿人機器人的核心樞紐起著不可或缺的重要作用，其傳動過程、機構設計、剛度控制等均對最終的運動形態有所影響，因此腰部機構的設計直接影響著整個系統的柔性以及穩定性，決定著仿人機器人的最終質量[1]。 目前，機器人的傳動方式主要是以電機作為動力源，本文所介紹的仿人機器人具有差動腰部機構，除了受自身動力學影響之外，還會受到手臂和車體運動以及外力矩等因素的影響，腰部結構是雙臂與車體的鏈接樞紐，所以腰部各關節的位姿跟蹤精度直接會影響雙臂末端的作業精度，它所受到的來自車體和雙臂的動力學影響也很大，不能忽略。

1 總體設計概述

仿人機器人是集機構、驅動、傳感等核心部件以及仿生、交互、智能等技術于一體的綜合平臺，是我國“十一五”期間先進制造技術領域設立的重點項目。仿人機器人的研究會促進先進機器人部件的更新，帶動先進機器人智能技術的發展。隨著對仿人機器人運動、感知、作業能力要求的不斷提高，對高精度的傳動機構、高性能的電機驅動、高性能的感知系統以及運動能力提出了更高的要求。機器人腰部在整個系統中占重要作用，是整個機器人的中介樞紐，所以對腰部結構的設計始終受到人們關注。

1.1 腰部機構的作用

(1)腰部是連接仿人機器人上肢與下肢的樞紐。

(2)腰部各關節的精度直接影響仿人機器人的雙臂作業精準度。

(3)腰部的運動狀態直接影響仿人機器人腿部的行走狀態。

(4)腰部負責自由調整仿人機器人的重心。

1.2 腰部機構的功能需求

(1)要具備與真實人體腰部相類似的靈活空間以及自由度。

(2)要確保關節的承重能力以及精準度。

(3)要保證驅動電機的位置不在關節以及運動部件上。

1.3 設計原則

(1)仿生性：包括高度、動作、自由度等在內的結構和功能都應該盡量仿人。

(2)穩定性：仿人機器人涉及關節較多，控制線路復雜，而且瞬間的轉矩會比較大，因此，對控制系統和驅動元件的要求較高。

(3)高剛度：仿人機器人需要具備良好的剛性，避免機械變形、插件松動等現象。

(4)低成本：在滿足功能需求的基礎上，盡可能選擇常見材料以及元器件，降低系統成本。

1.4 設計思路

(1)將電機與傳動鏈都固接在下板，降低腰部高度從而降低了重心，增強系統的穩定性。

(2)電機布置避開關節以及運動件，降低負載的同時提高了運動的精準度。

(3)采用兩個差動輪系封閉式傳動，降低電機功率，減少電源消耗。

(4)利用柔索，提升了系統的柔性，增強仿人機器人工作時的安全性。

(5)利用連桿，擴大腰部機構的運動范圍，提升腰部機構的承載能力[2]。

2 新型氣壓式仿人機器人腰部機構詳細設計

2.1 整體結構

根據腰部機構的構成要素以及功能要求，整個控制系統可以劃分為PC機、控制部分、驅動部分、動力電機、傳感器以及結構平臺。控制系統結構，如圖1所示。

圖1 控制系統框圖

腰部結構控制系統主要采用上位機、下位機分層的控制策略以及指令化的控制方式。借助PC機強大的邏輯判斷運算能力與信息處理能力，上位機系統解析出用戶輸入的指令，將運動參數發送給下位機完成相應的運控控制。同時下位機也會將運動狀態和傳感器信號反饋給上位機，方便用戶實時監測。仿人機器人是根據人體各個部分的運動機理開發的具備動力學特性的智能化系統，腰部機構既是核心的樞紐又負責調整重心，是仿人機器人不可或缺的重要組成部分，其整體結構包括氣壓傳動系統、控制系統、傳感系統、機械系統以及電源系統。具體部件由驅動電機、差動輪系、連桿、柔索以及變剛度結構單元等組成[3]。

2.2 運動指標

(1)俯仰運動：前傾角度范圍為0到45°，后仰角度0到5°。

(2)側傾運動：左右側傾角度范圍為正負15°。

(3)扭轉運動：角度范圍為正負90°。

(4)運動速度：0.2弧度/s 。

(5)加速度：0.1弧度/s。

2.3 腰部機構詳細設計

(1)傳動過程

仿人機器人的腰部傳動過程由差動輪系實現，兩個差動輪系采取封閉式傳動，依然保持系統存在兩個自由度，如圖2所示。

圖2 差動輪系封閉式傳動

其中，I1、I2代表驅動電機，A1、A2代表輸出軸，P1、P2代表加法器。運行的時候由I1、I2驅動P1的輸出軸A1轉動，與此同時也驅動P2的輸出軸轉動，然后通過圓錐齒輪來使輸出軸A2進行轉動，從而完成傳動過程。中間輪g4、g5可以改變旋轉的方向，輸出軸A1、A2則可以作為機器人側傾以及俯仰運動的驅動軸，使仿人機器人既可以實現單獨的側傾或者俯仰，也可以實現兩者結合在一起的復合型運動。

(2)機構設計

將仿人機器人的軀干等零部件安裝在上板上，差動輪系封閉式傳動系統安裝在下板上，如圖3所示。

圖3 仿人機器人腰部機構圖

其中1、11、2、21代表連桿，3、31代表柔索，A1、A2代表輸出軸，具體工作原理如下：

a) 連桿1、11位于中間版的中心軸線。上端與中間板連接，連桿1的下端與A1連接，連桿11與下板通過鉸鏈連接在一起，連桿1由輸出軸A1進行驅動[4]。

b) 連桿2、21一端和中間板連接，另一端和上板連接。將連桿2、21的兩端分別固接在中間板與上板的中心軸線上，上板就會隨著中間板同步運動，進而實現腰部機構的側傾運動。

c) 柔索3、31一端與上板中心軸線固接，另一端與輸出軸A2固接，并且采用反向連接的方式使3、31的運動方向是相反的。由柔索3、31來驅動上板就可以實現腰部機構的俯仰運動。

(3)剛度控制

本設計中利用柔索和非線性變剛度結構單元來驅動仿人機器人的俯仰運動，剛度調節的范圍在理論上可以達到零到無窮大。非線性變剛度結構單元的結構組成，如圖3所示。

圖3 非線性變剛度結構單元

其中包括2個動滑輪、4個定滑輪、線性彈簧、柔索以及回轉臂。回轉臂改變轉角進而調整動滑輪間的距離，和線性彈簧組合起來覺得柔索的剛度變化情況，使仿人機器人的柔性更好，進而提高系統的安全性[5]。

3 新型氣壓式仿人機器人腰部機構運動仿真

3.1 動力學模型

我們利用高效牛頓-歐拉算法來進行動力學建模，將全部桿件的速度、加速度、慣性矩陣、力和力矩等以自身桿件坐標系做參照，使計算驅動力矩的時間與仿人機器人的關節數成正比關系。力矩表達形式，如式(1)。

τ(t)=D(q(t))q(t)+h(q(t),q(t))+c(q(t))

(1)

式1)中，τ(t)代表各個關節力矩的等效列向量，q(t)代表各個關節加速度或者角加速度列向量，q(t)代表各個關節速度或者角速度列向量，q(t)代表各個關節位移或者角位移列向量[6]。

如果忽略關節之間的哥氏力，力矩取慣性力、離心力與重力的疊加，則公式(1)可簡化為式(2)。

τ(t)=D(q(t))q(t)+h(q(t))q(t)2+c(q(t))

(2)

如果再不考慮各個關節之間的耦合作用，最終簡化后的仿人機器人的腰部機構動力學模型為式(3)。

(3)

3.2 運動仿真

(1)工作流程

隨著科學技術的發展，仿真技術已經成為改進設計、提高性能的有效手段，是虛擬樣機技術中不可或缺的一部分。指的是利用物理信息以及幾何信息獲得機械系統的虛擬樣機，并在虛擬環境中模擬樣機的運動，以便于對運動情況和受力情況進行分析。降低開發成本的同時還大幅提升了設計的質量和效率，其具體流程，如圖4所示。

圖4 運動仿真流程

(2)運動仿真

仿人機器人的運動仿真是從機械設計的角度考慮，為結構設計所服務，通過運動仿真分析來獲得相關的關節速度、加速度等數據，為后續工作提供實驗數據的分析與參考[7]。

本設計中通過Mechpro2005接口軟件定義Bodies以及Joints參數之后，將三維模型導入ADAMS軟件，運用step函數對仿人機器人腰部機構的俯仰運動以及側轉運動進行動力學仿真，得出相關關節的位置、角速度以及角加速度結果，如圖5、圖6所示。

圖5 腰部俯仰運動仿真

圖6 腰部側傾運動仿真

4 總結

仿人機器人的腰部機構是連接上肢與下肢的樞紐，控制著整個身體的重心，并且運動形態直接影響雙臂以及雙腿的運動形態，在運行過程中需要完成的運動包括俯仰、側傾以及回轉等，其傳動過程、機構設計以及剛度控制都決定了其靈活性與柔性，本文給出了詳細設計方案并建立了動力學模型，最終得出的運動仿真結果表明本設計方案可行、可靠。