單曲軸六足直立式機器人的設(shè)計①

張久雷

(羅定職業(yè)技術(shù)學院，廣東 羅定527200)

0 引 言

行走裝置作為機器人的重要基礎(chǔ)，吸引了很多科學工作者進行研究和應(yīng)用［1］. 很多六足機器人的步行腿結(jié)構(gòu)是仿生昆蟲類動物腿部結(jié)構(gòu)，六肢彎曲且向外展開、外展趴臥，體型較大;本文設(shè)計開發(fā)的六足機器人的步行腿結(jié)構(gòu)是仿生四肢哺乳動物腿部結(jié)構(gòu)，內(nèi)收直立且六肢位于軀體下方. 比起橫向張開的昆蟲式腿部結(jié)構(gòu)，垂直方向的承載力有所增強且機構(gòu)更緊湊. 但是，目前很少有成功控制這種腿結(jié)構(gòu)的實例，其主要原因是直立地腿部大大增加了控制的復雜程度［2］.

1 總體方案設(shè)計

六足機器人大多采用仿昆蟲行走步態(tài)，即采用三角形步態(tài)行走方式［3］. 本機器人六足腿部結(jié)構(gòu)雖然是仿哺乳動物直立式腿部結(jié)構(gòu)，但行走的運動方式仍然采用三角形步態(tài)設(shè)計原理，即六足以相間隔的3 條步行腿連線組成的三角形分為兩組，當一組中的3 條步行腿著地支撐軀體時，另外一組中的3 條步行腿抬腿邁步，兩組步行腿交替運動實現(xiàn)機體向前運動.單曲軸六足直立式機器人的結(jié)構(gòu)原理圖如圖1 所示.

中間傳動軸的兩端有相互錯開180°的曲柄.兩個曲柄直接與中間步行腿連接成轉(zhuǎn)動副，曲柄帶動中間步行腿進行上下、前后擺動. 兩個曲柄的彎曲方向錯開180°安裝設(shè)計，可以使兩側(cè)中間步行腿的擺動方向錯開，即當一側(cè)中間步行腿向上、向前擺動時，另一側(cè)中間步行腿就向下、向后擺動.前腿或后腿通過一連桿與曲柄連接，使前腿或后腿進行前后擺動;且同側(cè)前腿和后腿通過一連桿連接，實現(xiàn)同側(cè)前腿和后腿的前后擺動步調(diào)一致.把電源電流方向反接或把電機接入、接出線對調(diào)，則可以實現(xiàn)機器人前腿變后腿運動，可以實現(xiàn)機器人的前進或后退步行運動.

圖1 單曲軸六足直立式機器人機構(gòu)原理圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 步態(tài)規(guī)劃

本機器人的行走機構(gòu)由6 條步行腿構(gòu)成，行走運動時按三角形步態(tài)分兩組，軀體同側(cè)前、后步行腿與另一側(cè)中間步行腿為一組;當一組步行腿開始進入支撐軀體狀態(tài)時，另外一組步行腿同時離地騰空向前擺動，軀體向前運動，當此組步行腿進入支撐軀體時，前一組步行腿也開始同時離地騰空向前擺動，軀體向前運動;兩組步行腿交替運動，不斷推動機器人向前步行運動.兩組步行腿的協(xié)調(diào)運動要通過安裝在中間傳動軸兩端相差180°的曲柄連桿機構(gòu)來實現(xiàn)，前進行走時的步態(tài)規(guī)劃如圖2 所示.

2，4，6 號步行腿著地開始支撐機體時，如圖2a所示，1，3，5 號步行腿開始離地騰空;2，4，6 號步行腿進入支撐機體階段時，其中2 號步行腿一邊隨曲柄繞中間軸轉(zhuǎn)動，一邊把機體向上撐起抬高，2，4，6號步行腿同時向后擺動，向后蹬踏地面使機體向前運動;與此同時，1，3，5 號步行腿離地在空中完成向后擺動，再向前擺動，等1，3，5 號步行腿向前擺動至開始著地支撐機體時，進入如圖2b 所示狀態(tài)，2，4，6 號步行腿開始進入離地騰空階段;1，3，5 號步行腿進入支撐機體階段時，5 號步行腿把機體向上撐起抬高的同時，1，3，5 號步行腿同時向后擺動，向后蹬踏地面使機體向前運動;兩組步行腿如此交替運動便可實現(xiàn)機體前進步行運動.

圖2 步態(tài)規(guī)劃圖

2.2 傳動機構(gòu)設(shè)計

傳動機構(gòu)是用一個長為75mm、寬為42mm 的長方形銅線作框架，由直徑為1mm 的銅線制作成1 個傳動軸、2 個曲柄、4 條連桿組成. 整個六足機器人的步行運動由一個微型直流電機帶動，經(jīng)過2個塑料齒輪的減速傳動使中間傳動軸轉(zhuǎn)動，進而帶動傳動軸兩端的曲柄搖桿機構(gòu)運動，進而實現(xiàn)步行腿的協(xié)調(diào)擺動運動.其中直接與曲柄鉸接的中間步行腿在曲柄帶動下進行上下、左右擺動，后腿通過與曲柄鉸接的連桿帶動進行前后擺動，前腿通過與后腿鉸接的連桿帶動也進行前后擺動，且與后腿擺動步調(diào)一致，如圖3 所示傳動機構(gòu)原理圖.

2.3 曲柄搖桿和曲柄滑塊機構(gòu)設(shè)計

本六足直立式機器人通過曲柄搖桿機構(gòu)和搖桿滑塊機構(gòu)將電機輸出的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成步行腿的上下、前后往復運動，從而實現(xiàn)本機器人的三角形步態(tài)行走運動.曲軸搖桿機構(gòu)和曲柄滑塊機構(gòu)主要由1 條傳動軸、2 個曲柄、4 條連桿和6 條步行腿組成，如圖4 所示.6 條步行腿是用銅線設(shè)計制作出類似哺乳動物直立式腿部結(jié)構(gòu)的大腿、小腿;其中前、后步行腿的大小腿之間的活動關(guān)節(jié)鉸接位置固定安裝在長方形框架上;中間步行腿的大小腿之間的活動關(guān)節(jié)鉸接位置固定安裝在曲柄上，其大腿是由長方形矩形框設(shè)計制作，且與中間橫放的固定桿鉸接成滑塊機構(gòu)，使中間步行腿按一定的有序規(guī)律運動.

圖3 傳動機構(gòu)原理圖

圖4 曲柄連桿滑塊機構(gòu)

傳動軸橫向安裝在機器人軀體框架中間，其中間段套有傳動齒輪，與電機輸出軸上的齒輪配合安裝，起傳遞動力作用.傳動軸兩端點有2 個曲柄，長度約為5mm，且此2 個曲柄彎曲方向相差180°設(shè)計.2 個曲柄分別與兩側(cè)的中間步行腿連接成曲柄滑塊機構(gòu)，帶動中間步行腿進行上下、前后擺動;2個曲柄的彎曲方向錯開180°安裝設(shè)計，可以使兩側(cè)中間步行腿的擺動方向錯開，即當一側(cè)中間步行腿向上、向前擺動時，另一側(cè)中間步行腿就向下、向后擺動.后腿的大腿上頂端通過一連桿與曲柄連接成曲柄連桿機構(gòu)，當連桿的一端隨曲柄轉(zhuǎn)動時，連桿另一端連接的后腿繞著其關(guān)節(jié)鉸接點進行前后擺動.前腿的大腿上頂端通過一連桿與后腿的大腿上頂端連接成同步連桿機構(gòu)，即當后腿前后擺動時，前腿也隨之相同的前后擺動，步調(diào)一致.

此種曲柄連桿機構(gòu)和曲柄滑塊機構(gòu)的設(shè)計不僅可以使機器人兩側(cè)對應(yīng)步行腿擺動方向相反，也可以使機器人同側(cè)中間腿和前后腿的擺動方向錯開，即前后腿著地支撐軀體時，中間步行腿懸空向后、再向上擺動;當中間步行腿開始著地支撐軀體時，前后腿懸空進行向后再前擺動，再到著地支撐軀體，如此與中間步行腿反復交替實現(xiàn)機器人不斷向前行走.在電機、傳動軸帶動下，由曲柄滑塊機構(gòu)和曲柄連桿機構(gòu)組成的步行腿交替往復運動，從而實現(xiàn)六足機器人的行走步態(tài).

3 機器人樣機制作

3.1 電機和電池的選擇

由于本六足直立式機器人各步行腿的動作協(xié)調(diào)運作控制是由曲柄搖桿機構(gòu)和曲柄滑塊機構(gòu)來控制實現(xiàn).因此，本機器人只需要一個動力源控制曲柄所在的傳動軸就可以實現(xiàn)整個機器人6 條步行腿之間確定的協(xié)調(diào)運動.用一個微型直流電機經(jīng)塑料齒輪系減速增大扭矩后，連續(xù)勻速地帶動中間傳動軸轉(zhuǎn)動，進而帶動傳動軸兩端的曲柄連續(xù)勻速轉(zhuǎn)動，進而驅(qū)動曲柄搖桿機構(gòu)和曲柄滑塊機構(gòu)協(xié)調(diào)運動使機器人勻速向前步行運動.

該機器人所選用的微型電機使用電壓在:DC3V ～6V 范圍內(nèi)，輸出速度40 ～90rpm，空載電流:50mA.微型直流電機輸出動力通過齒輪系減速增大扭矩傳遞給轉(zhuǎn)動軸曲柄進行旋轉(zhuǎn)運動，從而實現(xiàn)中間步行腿上下、前后擺動運動，曲柄旋轉(zhuǎn)動力再由連桿帶動后腿和前腿實現(xiàn)前后擺動運動.

選用鋰電池作為微型直流電機動力電源，所選鋰電池電壓為3.7V，重量為13g，經(jīng)過多次設(shè)計制作和可行性試驗，基本確定以上微型電機和電池型號.其動力能夠保證機器人正常行走前進、勻速運動.此鋰電池和微型電機安置在軀體中間，使其重心與機器人軀體框架中心重合，保證機器人機體平衡，避免因安裝位置問題使機器人傾斜或步行時摔倒、側(cè)翻等情況出現(xiàn).

3.2 控制電路原理

機器人步行運動的控制電路是由1 個直流電機，一個3.7V 電源，一個單向開關(guān)組成.當開關(guān)按下后，電路接通、電機正轉(zhuǎn)，機器人前行運動.當把電源電流方向反接或把電機接入、接出線對調(diào)，則可以實現(xiàn)電機反轉(zhuǎn)，機器人變成后退運動;該機器人控制電路原理簡單，容易接線制作、便于操作.

3.3 機器人樣機制作

機器人的整個機體框架結(jié)構(gòu)、曲軸曲柄、連桿搖桿機構(gòu)、滑塊機構(gòu)以及直立式步行腿均采用銅線設(shè)計制作. 該機器人長約為75mm，寬約為42mm，高約為50mm，重約33g. 微型直流電機、電池安置于機體中間，電機輸出軸端配合安裝2 個模數(shù)為0.5、齒數(shù)為12 和18 個的塑料齒輪.傳動軸橫放在機器人機體中間，并與減速齒輪系配合安裝，其兩端點設(shè)計安裝曲柄，與連桿、步行腿組成曲柄搖桿機構(gòu)和步行滑塊機構(gòu)，共同組裝成整體六足機器人.單曲軸六足直立式機器人樣機如圖5 所示.

圖5 單曲軸六足直立式機器人

4 機器人行走試驗

單曲軸六足直立式機器人在水泥地、瓷磚上、地板磚上、石板上、辦公桌上、沙發(fā)上進行行走驗證試驗，結(jié)果表明在以上路面上均可實現(xiàn)三角步態(tài)的行走運動，且速度適中，步行速度約0.052m/s;左右搖擺，動感十足，娛樂功能較強.在斜坡上、土路面上、草坪上進行行走驗證試驗，結(jié)果表明在以上非水平路面上也可以實現(xiàn)三角步態(tài)的行走運動，雖然步行前行速度慢點，但仍可實現(xiàn)前行三角步態(tài)行走運動.

行走試驗表明，本設(shè)計的單曲軸六足直立式機器人可以實現(xiàn)六足三角步態(tài)行走功能.但行走試驗結(jié)果也表明，隨著行走時間和距離的加長，機器人行走出現(xiàn)了走偏現(xiàn)象，沒有按照預想的直線進行長時間、長距離的步行行走，而是有些走偏.究其原因是本六足機器人是大概尺寸手工制作，在加工精度、安裝誤差方面不能夠保證，因此會出現(xiàn)走偏現(xiàn)象.

5 結(jié) 語

本文以銅線為制作原料，采取單電機、單曲軸驅(qū)動和曲柄搖桿機構(gòu)為傳動系統(tǒng)的方法，設(shè)計開發(fā)了一種六足直立式步行機器人. 行走試驗結(jié)果表明，本設(shè)計制作的六足直立式機器人可以實現(xiàn)三角步態(tài)行走功能;其簡單的機構(gòu)設(shè)計原理和制作、操作過程還有益于益智開發(fā)，若對其外飾稍加包裝便可制成各式娛樂玩具機器人，可應(yīng)用于娛樂、玩具領(lǐng)域，具有一定的實際應(yīng)用推廣價值.

［1］ 陳佳琦，鄭丁科，李志偉.水田防滑靜液壓六足步行機器的設(shè)計［J］.農(nóng)機化研究.2006(10):116 -121.

［2］ 金波，胡廈，俞亞新. 新型六足爬行機器人設(shè)計［J］. 機電工程.2007，24(6):23 -36.

［3］ 董太金，干東英.六足步行機橫爬步態(tài)和運動干涉問題的研究［J］.機器人.1989，3(1):40 -46.