六足步行機(jī)器人腿機(jī)構(gòu)繩傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

楊若霽，陳 峰

(上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院，上海 200135）

0 引言

步行機(jī)器人是采用腿式結(jié)構(gòu)來(lái)完成多種移動(dòng)功能的一種移動(dòng)式機(jī)器人。與同屬于移動(dòng)機(jī)器人的輪式、履帶式機(jī)器人相比，步行機(jī)器人在不平或松軟的地面上運(yùn)動(dòng)時(shí)，有機(jī)動(dòng)性好、能耗小等特點(diǎn)。因此，步行機(jī)器人技術(shù)一直是國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)之一。而步行機(jī)器人類(lèi)別中的六足步行機(jī)器人具有三足立地穩(wěn)定裕度大、步行速度快等特點(diǎn)?？梢哉f(shuō)，對(duì)六足步行機(jī)器人的研究，具有更加特殊的重要性。

腿機(jī)構(gòu)是六足步行機(jī)器人的主要執(zhí)行部件，它一方面要支承機(jī)器人軀體的重量，另一方面要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的步行運(yùn)動(dòng)。六足步行機(jī)器人腿部傳動(dòng)系統(tǒng)決定了腿的形式、重量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、運(yùn)動(dòng)空間、運(yùn)動(dòng)精度、動(dòng)力特性和能承受載荷的大小等機(jī)械性能，也決定著所配計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制性能。因此，對(duì)六足步行機(jī)器人腿部傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是相當(dāng)關(guān)鍵的。

六足步行機(jī)器人腿部傳動(dòng)系統(tǒng)有很多種，如齒輪傳動(dòng)、連桿傳動(dòng)、繩傳動(dòng)等。與其他傳動(dòng)方式相比，繩傳動(dòng)系統(tǒng)以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、慣性小和運(yùn)動(dòng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，受到了國(guó)內(nèi)外研究者的高度重視。典型的六足步行機(jī)器人腿部繩傳動(dòng)系統(tǒng)有兩種。一種是帶有單槽輪的鋼絲繩摩擦傳動(dòng)［1-2］，這種繩傳動(dòng)方式類(lèi)似于帶傳動(dòng)，通過(guò)鋼絲繩與滑輪之間的摩擦力實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)，其主要缺點(diǎn)是:①傳動(dòng)效率較低，②運(yùn)行一段時(shí)間后繩與滑輪會(huì)出現(xiàn)磨損而發(fā)生打滑，③機(jī)器人腿部不能承受較大負(fù)載。另一種是帶有螺旋槽輪的鋼絲繩摩擦傳動(dòng)［3-4］，該傳動(dòng)方式是一種繩及卷筒傳動(dòng)，螺旋槽輪旋轉(zhuǎn)時(shí)將鋼絲繩帶入繩槽，借助楔形的作用產(chǎn)生較大的摩擦力實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)，其主要缺點(diǎn)是:①螺旋槽輪加工困難，②鋼絲繩的安裝布置不方便，③螺旋槽輪軸向尺寸較大，不適合安裝在要求結(jié)構(gòu)小、運(yùn)動(dòng)靈活的機(jī)器人腿機(jī)構(gòu)上。

本文針對(duì)典型繩傳動(dòng)系統(tǒng)的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種六足步行機(jī)器人腿機(jī)構(gòu)繩傳動(dòng)系統(tǒng)。

1 新型繩傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)滿(mǎn)足機(jī)器生產(chǎn)過(guò)程和工藝動(dòng)作的要求;而且應(yīng)力求簡(jiǎn)單可靠，方便控制，并盡可能采用最合理的傳動(dòng)級(jí)數(shù)，以減小傳動(dòng)裝置的外廓尺寸和提高傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)精度及效率。

典型的六足步行機(jī)器人腿部繩傳動(dòng)系統(tǒng)之所以存在諸多缺點(diǎn)，最主要的原因是它們都依靠鋼絲繩與滑輪之間的摩擦力來(lái)進(jìn)行傳動(dòng)。據(jù)此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種如圖1所示的依靠鋼絲繩拉力進(jìn)行傳動(dòng)的繩傳動(dòng)系統(tǒng)。

圖1 新型繩傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖1中，主動(dòng)桿是與驅(qū)動(dòng)器輸出軸相連的桿，從動(dòng)桿則是與腿部關(guān)節(jié)相連的桿。主動(dòng)桿與從動(dòng)桿布置在同一平面上，相互平行，且它們的桿長(zhǎng)相等。鋼絲繩a、鋼絲繩b分別布置在主動(dòng)桿和從動(dòng)桿的兩端，并與兩桿形成轉(zhuǎn)動(dòng)副。兩根鋼絲繩相互平行且長(zhǎng)度相等。主動(dòng)桿與從動(dòng)桿的旋轉(zhuǎn)中心位于各自桿長(zhǎng)的中點(diǎn)。

由于繩受拉傳力而受壓不傳力，故繩傳動(dòng)系統(tǒng)的工作原理為:當(dāng)主動(dòng)桿逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，鋼絲繩a受壓不傳力，而鋼絲繩b產(chǎn)生拉力使從動(dòng)桿作逆時(shí)針旋轉(zhuǎn);當(dāng)主動(dòng)桿順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，鋼絲繩b受壓不傳力，而鋼絲繩a產(chǎn)生拉力使從動(dòng)桿作順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

因鋼絲繩受拉時(shí)彈性伸長(zhǎng)量極小，可忽略不計(jì)，根據(jù)繩傳動(dòng)系統(tǒng)的幾何關(guān)系我們可以推出:無(wú)論主動(dòng)桿作逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)還是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，繩傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式都與平行四邊形機(jī)構(gòu)相同，即作同向等角速度運(yùn)動(dòng)。

與典型的步行機(jī)器人腿部繩傳動(dòng)系統(tǒng)相比，這種新型的繩傳動(dòng)系統(tǒng)有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):①剛性桿件容易加工，②鋼絲繩安裝起來(lái)極為方便，③結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、小巧且質(zhì)量更輕，④不存在打滑的問(wèn)題，傳動(dòng)效率更高，⑤由于該系統(tǒng)采用了同向等角速度傳動(dòng)，控制與測(cè)算腿部位移較為方便。

2 繩傳動(dòng)腿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

自然界中，許多昆蟲(chóng)的腿部結(jié)構(gòu)［5］大致如圖2所示，基節(jié)、股節(jié)和脛節(jié)三部分分別繞著跟關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)做單自由度旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，屬于一個(gè)三自由度開(kāi)式鏈結(jié)構(gòu)。本文利用新型繩傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種如圖3所示的仿昆蟲(chóng)繩傳動(dòng)腿機(jī)構(gòu)。

圖2 昆蟲(chóng)腿部結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 繩傳動(dòng)腿機(jī)構(gòu)圖

圖3中，軸1分別與固定架、連接架、擺動(dòng)桿形成轉(zhuǎn)動(dòng)副，從而組成跟關(guān)節(jié);基節(jié)擋板1、基節(jié)擋板2和兩臺(tái)驅(qū)動(dòng)器組成基節(jié);軸2分別與基節(jié)、股節(jié)形成轉(zhuǎn)動(dòng)副，從而組成髖關(guān)節(jié);軸3分別與股節(jié)、脛節(jié)形成轉(zhuǎn)動(dòng)副，從而組成膝關(guān)節(jié)。兩臺(tái)驅(qū)動(dòng)器安裝在基節(jié)擋板2上;固定架與機(jī)器人軀干固結(jié)在一起;連接架通過(guò)連接孔，用螺栓與基節(jié)擋板1、2相連接;擺動(dòng)桿與連接架固結(jié)在一起，擺動(dòng)桿的外形輪廓與圖1中的從動(dòng)桿相似，且其旋轉(zhuǎn)中心與軸1同心，它的作用是使跟關(guān)節(jié)繞軸1來(lái)回?cái)[動(dòng)。這樣，當(dāng)擺動(dòng)桿兩端用鋼絲繩連接后，依靠主動(dòng)桿的旋轉(zhuǎn)就能控制腿機(jī)構(gòu)完成跨步動(dòng)作(見(jiàn)圖5）。

圖4為繩傳動(dòng)腿機(jī)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。桿1和桿2是主動(dòng)桿，它們分別與圖3中兩臺(tái)驅(qū)動(dòng)器的輸出軸相連。桿3、桿4是從動(dòng)桿，它們分別與股節(jié)和脛節(jié)的一端固結(jié)在一起，并分別與軸2、軸3形成轉(zhuǎn)動(dòng)副。過(guò)渡桿由兩根桿固結(jié)而成，過(guò)渡桿上桿所在平面與過(guò)渡桿下桿所在平面平行，兩桿互成一定角度。桿1和桿3處在同一平面上;桿2和過(guò)渡桿下桿處在同一平面上;過(guò)渡桿上桿和桿4處在同一平面上。過(guò)渡桿與軸2形成轉(zhuǎn)動(dòng)副;股節(jié)的另一端與軸3形成轉(zhuǎn)動(dòng)副。桿1和桿3兩端用一對(duì)鋼絲繩連接;桿2和過(guò)渡桿下桿兩端用一對(duì)鋼絲繩連接;過(guò)渡桿上桿和桿4兩端用一對(duì)鋼絲繩連接。

圖4 腿機(jī)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)桿1作逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，與桿3相固結(jié)的股節(jié)，在鋼絲繩的傳動(dòng)下，也作逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)桿2作逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，過(guò)渡桿下桿在鋼絲繩的傳動(dòng)下，也作逆時(shí)針旋轉(zhuǎn);由于過(guò)渡桿下桿與過(guò)渡桿上桿固結(jié)在一起，過(guò)渡桿下桿在作逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，過(guò)渡桿上桿也在作逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，且上下兩桿轉(zhuǎn)角一致，從而使與桿4相固結(jié)的脛節(jié)，在鋼絲繩的傳動(dòng)下，也作逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。這樣，當(dāng)桿1、桿2同時(shí)同向旋轉(zhuǎn)相同角度后，股節(jié)和脛節(jié)也同時(shí)同向旋轉(zhuǎn)相同的角度，從而實(shí)現(xiàn)腿機(jī)構(gòu)的抬放腿動(dòng)作。

3 六足繩傳動(dòng)步行機(jī)器人的整體布局

六足繩傳動(dòng)步行機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)如圖5所示，它由軀干、驅(qū)動(dòng)器和六條腿構(gòu)成。所有驅(qū)動(dòng)器均采用舵機(jī)。軀干部分布置六臺(tái)舵機(jī)通過(guò)鋼絲繩連接分別驅(qū)動(dòng)六條腿機(jī)構(gòu)上的跟關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。

4 仿真實(shí)驗(yàn)與樣機(jī)制作

4.1 建立仿真模型

ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems）軟件是集建模、計(jì)算、后處理于一體的虛擬樣機(jī)仿真分析軟件［6］。在ADAMS軟件中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，首先要建立三維模型。模型建立一般有兩種方法:一種方法是在Adams/View模塊中直接建模;另一種方法是在其他三維軟件中建好模型后導(dǎo)入Adams軟件中。此處采用的是第二種方法，建模時(shí)運(yùn)用的是SolidWorks軟件。

關(guān)于鋼絲繩的建模，雖然ADAMS軟件中沒(méi)有提供直接的建模方法，但我們可以利用Adams/View提供的快速創(chuàng)建柔性連桿的(discrete flexible link）建模方法，即把鋼絲繩看作由若干個(gè)剛體組成，通過(guò)定義柔性連桿的材料、實(shí)體的段數(shù)、梁?jiǎn)卧乃p率和兩端點(diǎn)的連接方式近似地模擬鋼絲繩［7］。

六足繩傳動(dòng)步行機(jī)器人仿真模型的各構(gòu)件(除舵機(jī)外）材料均定義為鋼材。腿機(jī)構(gòu)的初始位置設(shè)定為:股節(jié)與脛節(jié)的夾角為60度，股節(jié)與基節(jié)的夾角為40度。圖6為六足繩傳動(dòng)步行機(jī)器人仿真模型圖，其中黃色部分為地面。

4.2 步態(tài)選擇

六足步行機(jī)器人的步態(tài)是多樣的。其中“3+3”步態(tài)，即三角步態(tài)，是六足步行機(jī)器人實(shí)現(xiàn)步行的典型步態(tài)，它可以保證一半足抬離地面時(shí)還能提供三角支撐，并可以在保持靜態(tài)穩(wěn)定性條件下允許較快的行走速度。文獻(xiàn)［8］詳細(xì)說(shuō)明了這種步態(tài)的規(guī)劃，圖7、圖8為直行、轉(zhuǎn)彎三角步態(tài)示意圖。我們采用該三角步態(tài)對(duì)所設(shè)計(jì)的六足繩傳動(dòng)步行機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。

圖6 六足繩傳動(dòng)步行機(jī)器人仿真模型圖

圖7 直行三角步態(tài)示意圖

圖8 轉(zhuǎn)彎三角步態(tài)示意圖

4.3 運(yùn)動(dòng)仿真

仿真模型建立以后，我們依此給各個(gè)部件加入材料密度、重心和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等物理參數(shù)。根據(jù)機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)和所采用的步態(tài)，在腿、軀干以及各桿件之間分別添加轉(zhuǎn)動(dòng)副和固定副約束，在與舵機(jī)相連的主動(dòng)桿轉(zhuǎn)動(dòng)副上添加step階躍驅(qū)動(dòng)函數(shù)，并且在各腿和地面之間利用實(shí)體和實(shí)體接觸形式創(chuàng)建六個(gè)接觸力和摩擦力。仿真時(shí)間設(shè)定為10.5秒，步數(shù)設(shè)定為250步，在重力環(huán)境下進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。

圖9為機(jī)器人按所采用的直行步態(tài)進(jìn)行仿真運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)圖，其中，(1）代表圖7中a～b的步態(tài)，(2）代表圖7中c的步態(tài)，(3）代表圖7中d～e的步態(tài)。圖10為機(jī)器人按所采用的轉(zhuǎn)彎步態(tài)進(jìn)行仿真運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)圖。其中，(1）;(2）;(3）分別代表圖8中a～b;c;d～e的步態(tài)。由此，我們得出:所設(shè)計(jì)的步行機(jī)器人可按給定步態(tài)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。

圖9 機(jī)器人直行步態(tài)仿真圖

圖10 機(jī)器人轉(zhuǎn)彎步態(tài)仿真圖

4.4 樣機(jī)制作

我們根據(jù)本文所設(shè)計(jì)的繩傳動(dòng)系統(tǒng)及仿真結(jié)果，制作了六足繩傳動(dòng)步行機(jī)器人的真實(shí)樣機(jī)。整個(gè)機(jī)體的外形尺寸為:長(zhǎng) 300mm，寬 300mm，高165mm。它由機(jī)械系統(tǒng)(軀干和腿機(jī)構(gòu)鋼板、傳動(dòng)桿件、鋼絲繩）、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(18臺(tái)舵機(jī)）、控制系統(tǒng)(單片機(jī)）和電源組成。主要部件的參數(shù)見(jiàn)表1。為方便控制，所有舵機(jī)均采用MG995全金屬齒輪13公斤大扭力舵機(jī);鋼絲繩采用直徑為1mm的24絲鋼絲繩，它能承受120kg的力;采用AT89S51型單片機(jī);主電源為6.5V。所有部件安裝好后，總質(zhì)量約為4kg。按所采用的步態(tài)，編寫(xiě)好相應(yīng)程序，程序框圖如圖11所示。

表1 主要部件參數(shù)

圖11 程序框圖

由于依靠鋼絲繩拉力的繩傳動(dòng)系統(tǒng)消除了典型繩傳動(dòng)系統(tǒng)中繩與輪打滑和摩擦力對(duì)于機(jī)器人承載能力的影響［9］;而且只要鋼絲繩的破斷拉力［10］和舵機(jī)扭矩足夠，采用新型繩傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)器人在承載能力方面比典型繩傳動(dòng)機(jī)器人更具有優(yōu)勢(shì)。在進(jìn)行樣機(jī)步行和承載能力實(shí)驗(yàn)后，我們得出:該機(jī)器人結(jié)構(gòu)緊湊小巧、布局合理，傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠，部件加工安裝方便，承載能力強(qiáng)，約為機(jī)器人自身重量的1倍左右，且步行時(shí)機(jī)體平穩(wěn)，速度平均可達(dá)15mm/s。圖12為該六足繩傳動(dòng)步行機(jī)器人樣機(jī)照片。通過(guò)進(jìn)一步的環(huán)境適應(yīng)能力實(shí)驗(yàn)，我們還發(fā)現(xiàn)該機(jī)器人能夠在凹坑、沙地、廢墟、草地等各種復(fù)雜地形中行走，在狹小縫隙間穿行，在裝有攝像頭、生命探測(cè)儀、經(jīng)緯度定位器、通訊設(shè)備等后可以用于地質(zhì)勘探和災(zāi)區(qū)救援。

圖12 六足繩傳動(dòng)步行機(jī)器人樣機(jī)照片

5 結(jié)束語(yǔ)

國(guó)內(nèi)對(duì)于六足步行機(jī)器人腿機(jī)構(gòu)繩傳動(dòng)系統(tǒng)的研究并不多，本文針對(duì)典型繩傳動(dòng)系統(tǒng)的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單、小巧、實(shí)用的新型繩傳動(dòng)系統(tǒng)，并將其應(yīng)用到六足步行機(jī)器人腿機(jī)構(gòu)上，由此完成了六足繩傳動(dòng)步行機(jī)器人整機(jī)的設(shè)計(jì)。采用ADAMS軟件建立了繩傳動(dòng)步行機(jī)器人的虛擬樣機(jī)，通過(guò)仿真，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。在此基礎(chǔ)上，制作了真實(shí)樣機(jī)，為進(jìn)一步研究六足繩傳動(dòng)步行機(jī)器人奠定了基礎(chǔ)，從而具有現(xiàn)實(shí)的參考意義。

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