機(jī)器人足式行走機(jī)構(gòu)技術(shù)淺析

楊喜飛

摘 ?要：本文就機(jī)器人足式行走機(jī)構(gòu)的機(jī)械足的布置及數(shù)量設(shè)置、機(jī)械足的腿桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械足的足底設(shè)計(jì)、足式行走機(jī)構(gòu)的復(fù)合設(shè)計(jì)等方面的技術(shù)進(jìn)行了介紹和分析，并提出了部分設(shè)計(jì)原則，為機(jī)器人足式行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人;行走機(jī)構(gòu);足式

前言

近年來，對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的研究受到重視，仿照生物的功能而發(fā)明的各種移動(dòng)機(jī)器人越來越多，小到娛樂機(jī)器人玩具、家用服務(wù)機(jī)器人，大到工程探險(xiǎn)、反恐防爆、軍事偵察機(jī)器人等，人們已經(jīng)清楚地體會(huì)到地面移動(dòng)機(jī)器人作為移動(dòng)機(jī)器平臺(tái)的優(yōu)越性。相應(yīng)地，這些領(lǐng)域?qū)λ鶓?yīng)用的移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)也提出了更高的要求，特別是在機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度、靈活性、自主性、作業(yè)能力等方面的要求越來越高[1]。

足式機(jī)器人是基于仿生學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)、控制理論和人工智能等多學(xué)科交叉的一種特殊的移動(dòng)機(jī)器人。與輪式和履帶式爬壁機(jī)器人相比，腿足式爬壁機(jī)器人具有較強(qiáng)的越障能力和靈活性，因此近年來受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注 [2]。本文就機(jī)器人足式行走機(jī)構(gòu)的一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了技術(shù)優(yōu)劣性分析，并提出了部分設(shè)計(jì)原則，為機(jī)器人足式行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考。

一、機(jī)械足的布置及數(shù)量設(shè)置

機(jī)械足的布置與機(jī)器人的行走穩(wěn)定性相關(guān)，且設(shè)置方式均為周向均勻布置或左右對(duì)稱布置，除了遵循仿生設(shè)計(jì)的原則外，在布置雙數(shù)足時(shí)，還應(yīng)至少沿機(jī)器人行走方向?qū)ΨQ布置，圖1。這樣才能在行走的過程當(dāng)中，確保機(jī)器人的穩(wěn)定性。

而關(guān)于機(jī)械足的設(shè)置數(shù)量，同樣與機(jī)器人的行走穩(wěn)定性相關(guān)，通常來說，支撐點(diǎn)越多，機(jī)器人的穩(wěn)定性和越障性能就越好。人和動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)能力和執(zhí)行指定任務(wù)的能力是移動(dòng)機(jī)器人追求的目標(biāo)，因此就機(jī)器人仿生原型來看，主要有二足、四足、六足3 種主流型號(hào)[1]，其中二足多為仿人機(jī)器人，其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性均比較差，對(duì)于機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（如重心位置等）和運(yùn)動(dòng)控制算法的要求非常高，另外，對(duì)于機(jī)械足的自由度要求也較高;四足和六足均為仿四足動(dòng)物，其靜態(tài)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性較好，但對(duì)于多足的協(xié)同運(yùn)動(dòng)控制算法的要求較高。

二、機(jī)械足的腿桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械足的腿桿自由度的設(shè)計(jì)與機(jī)器人的行走越障性能相關(guān)，通常來說，機(jī)械足的自由度越多，其越障性能越好，但其關(guān)節(jié)的協(xié)同控制難度則越高。目前多數(shù)通過旋轉(zhuǎn)和伸縮關(guān)節(jié)來實(shí)現(xiàn)機(jī)械足的多個(gè)自由度配置，其中伸縮關(guān)節(jié)也可以用于實(shí)現(xiàn)機(jī)械足尺寸的調(diào)整。如二足的擬人腿，單個(gè)腿具備7-9個(gè)自由度，而四足和六足機(jī)器人單個(gè)機(jī)械足往往具備2-3個(gè)自由度。

另外，機(jī)械腿桿的驅(qū)動(dòng)布置對(duì)于機(jī)械足的靈活性也有較大影響。聯(lián)動(dòng)驅(qū)動(dòng)和獨(dú)立驅(qū)動(dòng)兩者驅(qū)動(dòng)布置是目前較為常見的驅(qū)動(dòng)方式。聯(lián)動(dòng)驅(qū)動(dòng)是指多個(gè)足或關(guān)節(jié)共用同一個(gè)動(dòng)力源，通過傳動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，這種驅(qū)動(dòng)方式，控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)形式單一;獨(dú)立驅(qū)動(dòng)是指每個(gè)足的每個(gè)關(guān)節(jié)均設(shè)置一一對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)形式，但關(guān)節(jié)之間的協(xié)同控制難度大，控制和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)成本較高。

在機(jī)器人的行走過程中，由于機(jī)械足與地面接觸，產(chǎn)生的較大的振動(dòng)，影響機(jī)器人的動(dòng)態(tài)平衡，因此，往往需要在機(jī)器人上設(shè)置減震裝置，根據(jù)振動(dòng)的傳遞路徑，減震裝置通常設(shè)置在機(jī)器人本體和機(jī)器人腿桿上，而常見的腿桿減震裝置包括套設(shè)在腿桿上的減震彈簧、作為支撐腿桿件的減震氣缸、足底設(shè)置的減震墊等，其中在足底設(shè)置的減震墊或在腿桿上套設(shè)減震彈簧的方式，技術(shù)簡(jiǎn)單、成熟、成本低廉，但減震效果一般;而將支撐腿桿件設(shè)置為減震氣缸，減震范圍大，減震效果好，但對(duì)氣缸系能要求較高，技術(shù)成本高。

三、機(jī)械足的足底設(shè)計(jì)

目前，對(duì)于機(jī)械足的足底設(shè)計(jì)在二足仿人機(jī)器人中考慮的比較多，在其他多足機(jī)器人中則考慮的較少。隨著多足機(jī)器人應(yīng)用場(chǎng)景的擴(kuò)展，如用于在墻體或壁面上爬行（如在船體表面進(jìn)行焊縫檢測(cè)等），通過對(duì)機(jī)械足的足底的特殊設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)，如將機(jī)械足的足底設(shè)計(jì)為真空吸附和磁吸附的足底結(jié)構(gòu)，由于這種吸附式足底設(shè)計(jì)，極大的增強(qiáng)了機(jī)器人的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，因此，能夠有效減少機(jī)械足腿（如減少腿桿自由度，省去減震裝置等）、機(jī)械足數(shù)量和布置（如減少機(jī)械足的數(shù)量等）方面的限制，但這種吸附式足底受其應(yīng)用場(chǎng)景的局限比較大。

四、足式行走機(jī)構(gòu)的復(fù)合設(shè)計(jì)

雖然，足式行走機(jī)構(gòu)具備運(yùn)動(dòng)性能和越障性能好的特點(diǎn)，但在現(xiàn)有技術(shù)條件下其行走穩(wěn)定性差、運(yùn)動(dòng)速度和效率底的缺點(diǎn)仍然比較突出。因此將機(jī)械足與其他行走機(jī)構(gòu)，如輪式或履帶式行走機(jī)構(gòu)結(jié)合，形成復(fù)合式行走機(jī)構(gòu)也被越來越多的研究。

將足式行走機(jī)構(gòu)與其他行走機(jī)構(gòu)復(fù)合式，通常采取如下種方式：

1）僅用于冗余支撐。即機(jī)械足不參與機(jī)器人正常的行走過程，僅在機(jī)器人特定情況（如越障時(shí)）下提供輔助支撐，以避免機(jī)器人發(fā)生傾倒。

2）作為機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)。即機(jī)械足參與機(jī)器人正常的行走過程，以提高機(jī)器人行走的適用環(huán)境。

小結(jié)

足式行走機(jī)構(gòu)，具備較好運(yùn)動(dòng)能力和適應(yīng)環(huán)境的能力，在未來具備廣闊的應(yīng)用前景。本文對(duì)足式行走機(jī)構(gòu)的部分關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析和介紹，可以看出，確保足式行走機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)行走穩(wěn)定性成為限制其實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵。

參考文獻(xiàn)

[1] ?王鵬飛，孫立寧，黃博.地面移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2006，23（7）：1-4.

[2] ?周友行，楊文佳，姜尚，章本毅.全氣動(dòng)四足爬壁機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃及吸附力試驗(yàn)研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)，2016，33（12）：37-42.