一種交叉足競走機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計與研究

摘要： 本文設(shè)計了一種交叉足競走機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)，該機(jī)器人能夠模擬人的左右腿進(jìn)行行走，主要結(jié)構(gòu)包括機(jī)器人的頂板、腿部結(jié)構(gòu)、連接結(jié)構(gòu)、腳板等機(jī)械機(jī)構(gòu)，并繪制了該機(jī)器人的CAD模型和三位立體模型。通過對該雙足競走機(jī)器人的設(shè)計和制作，并進(jìn)行了運(yùn)行試驗(yàn)，該機(jī)器人能夠完成相應(yīng)的穩(wěn)定行走動作，該機(jī)械結(jié)構(gòu)能夠有效應(yīng)用于教學(xué)、競賽等領(lǐng)域。

Abstract： This paper designed the mechanical structure of the cross foot walking robot， and the robot can simulate people around the leg to walk. The main structure comprises the robot roof， leg structure， connection structure， mechanical foot mechanism， and the CAD model of the robot and three-dimensional model are proposed. Through the design and manufacture of the cross foot walking robot， and running test are given. The robot can complete the corresponding stable walking action， and the mechanical structure can be effectively applied to teaching， competition and other fields.

關(guān)鍵詞： 交叉競走機(jī)器人；機(jī)械結(jié)構(gòu)；減速伺服電機(jī)

Key words： cross foot working robot；mechanical structure；deceleration servo motor

中圖分類號：TG580.23+1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）08-0148-02

0 引言

仿人機(jī)器人技術(shù)融合了機(jī)械設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、模型分析、控制技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)等，仿照人的運(yùn)動機(jī)理，進(jìn)行機(jī)器人的設(shè)計和研究。機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)作為機(jī)器人最重要的基礎(chǔ)設(shè)計，通常使用CAD、Soildworks等軟件進(jìn)行整體機(jī)械機(jī)構(gòu)的設(shè)計。仿人機(jī)器人能夠模仿人的動作，在機(jī)器人研究領(lǐng)域中有著重要的理論研究價值，并且相關(guān)研究成果與現(xiàn)實(shí)社會聯(lián)系緊密，有著不可忽視的現(xiàn)實(shí)意義[1-2]。目前的機(jī)器人的研究中，雙足機(jī)器人的設(shè)計具有重要研究意義和使用價值，仿人型雙足行走機(jī)器人可以大大地幫助人類解決很多問題，比如馱物，搶險，等一系列危險或繁重的工作[2]。

基于以上研究意義和價值，本文設(shè)計了一種交叉足競走機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)[3-4]，該機(jī)器人只設(shè)計機(jī)器人的雙腿結(jié)構(gòu)。該機(jī)器人能夠模擬人的左右腿進(jìn)行行走，主要結(jié)構(gòu)包括機(jī)器人的頂板、腿部結(jié)構(gòu)、連接結(jié)構(gòu)、腳板等機(jī)械機(jī)構(gòu)，并繪制了該機(jī)器人的CAD模型和三位立體模型[5-6]。本文首先介紹了交叉競走機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計，并給出了機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)三維模型立體圖，然后對機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計進(jìn)行描述和分析，包括機(jī)器人的頂板和腳板詳細(xì)設(shè)計、機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計。最后通過運(yùn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證了本文所設(shè)計的交叉足競走機(jī)器人的合理性和有效性。

1 交叉足競走機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

交叉足競走機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)三維模型立體圖如圖1所示，包含交叉足競走機(jī)器人的頂板、機(jī)器人左腿、機(jī)器人右腿、機(jī)器人的左腳板、機(jī)器人的右腳板。交叉足競走機(jī)器人左腿和右腿均為一個3自由度的結(jié)構(gòu)構(gòu)成，每一個自由度由一個金屬結(jié)構(gòu)件和一個伺服電機(jī)組成；機(jī)器人的頂板為一個U型結(jié)構(gòu)，方便放置單片機(jī)控制器和7.4V直流電源；機(jī)器人的腳板為帶齒結(jié)構(gòu)，前端和后端均有一個長方形小齒，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的穩(wěn)定前后交叉運(yùn)行。

2 交叉足競走機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 機(jī)器人的頂板和腳板

交叉足競走機(jī)器人的頂板和腳板如圖2所示，2（a）為機(jī)器人的頂板的俯視圖，2（b）為其中一個腳板的俯視圖，兩個腳板為一個對稱結(jié)構(gòu)。為了方便設(shè)計和加工，本文采用2mm的黑色的亞克力板作為材料來制作和加工，因?yàn)閬喛肆Π迨禽p型高硬度材料，易于切割和打孔。

2.2 機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)

交叉足競走機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)如圖3所示，圖3（a）為機(jī)器人的正視圖，3（b）為機(jī)器人的側(cè)視圖。交叉足競走機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)包含左腿和右腿，每條腿均由一個3自由度的結(jié)構(gòu)構(gòu)成，每一個自由度由一個金屬結(jié)構(gòu)件和一個伺服電機(jī)組成。每個自由度代表一個關(guān)節(jié)，每個關(guān)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)0-180度的旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人行走動作的模擬。通過該結(jié)構(gòu)的設(shè)計，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)、后退、前跟頭，左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等動作。

2.2.1 伺服電機(jī)

本文設(shè)計的交叉足競走機(jī)器人選用伺服電機(jī)來實(shí)現(xiàn)和模擬人的關(guān)節(jié)運(yùn)動。伺服電機(jī)的好壞決定了機(jī)器人行走的質(zhì)量，為了保證機(jī)器人的運(yùn)行平穩(wěn)、執(zhí)行到位，通常選用扭力在12-15kg左右的伺服電機(jī)，結(jié)構(gòu)件的尺寸與型號決定的關(guān)鍵是在于舵機(jī)的尺寸型號，所以制作機(jī)器人要優(yōu)先決定好舵機(jī)的尺寸與型號。

本伺服電機(jī)選用雙軸伺服電機(jī)，包含一個主動輪和一個從動輪，相關(guān)參數(shù)見表1。該伺服電機(jī)的重量為60g，尺寸大小為40*20*40.5mm，速度為0.16sec/60°7.2V，堵轉(zhuǎn)扭矩為15kg/cm 7.2V，工作電壓為5-7.2V，工作電流>100mA。其中主動輪的舵盤的安裝孔間距為14mm，直徑為20mm，其中花齒孔徑5.5mm，花齒數(shù)量25，使用4個M3攻絲安裝孔。

2.2.2 金屬結(jié)構(gòu)件

金屬結(jié)構(gòu)件主要用于機(jī)器人關(guān)節(jié)的連接，固定于交叉足競走機(jī)器人的頂板、腳板和伺服電機(jī)上。結(jié)構(gòu)件大小和尺寸的設(shè)計取決于伺服電機(jī)的尺寸和大小。為了便于結(jié)構(gòu)簡的設(shè)計和加工，交叉足競走機(jī)器人的結(jié)構(gòu)件采用鋁材的作為材料進(jìn)行制作，鋁材具有硬度高、質(zhì)量輕、易加工等優(yōu)點(diǎn)。結(jié)構(gòu)件的尺寸如圖4所示，長度為52mm，寬度為25mm，高度為42.5mm，厚度為2.5mm。

3 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分析與實(shí)驗(yàn)

基于上面交叉足競走機(jī)器人的設(shè)計，為了驗(yàn)證本文所設(shè)計的交叉競走機(jī)器人設(shè)計的合理性、穩(wěn)定性和可行性，通過機(jī)器人的直走、前滾翻、后退、左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎等動作完成率，來進(jìn)行運(yùn)行試驗(yàn)分析。

通過每個動作的20次試驗(yàn)，動作完成情況和完成率如表2所示，該結(jié)構(gòu)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)直走的后退動作的完成率均為100%，完成左轉(zhuǎn)彎和右轉(zhuǎn)彎的完成率為90%，完成前翻動作的完全率為80%。雖然本文所設(shè)計的機(jī)器人結(jié)構(gòu)不能在20次試驗(yàn)中，100%完成所有的動作，但是受限于只有雙足結(jié)構(gòu)，一定程度上是符合設(shè)計要求的。本文所設(shè)計的交叉足競走機(jī)器人能夠有效完成的機(jī)器人相應(yīng)的動作，該機(jī)器人能夠完成相應(yīng)的穩(wěn)定行走、后退等動作，該機(jī)械結(jié)構(gòu)能夠有效應(yīng)用于教學(xué)、競賽等領(lǐng)域。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種交叉足競走機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)，該機(jī)器人能夠模擬人的左右腿進(jìn)行行走，主要結(jié)構(gòu)包括機(jī)器人的頂板、腿部結(jié)構(gòu)、連接結(jié)構(gòu)、腳板等機(jī)械機(jī)構(gòu)，文中給出了該機(jī)器人的CAD模型和三位立體模型。通過對該雙足競走機(jī)器人的設(shè)計和制作，并進(jìn)行了運(yùn)行試驗(yàn)，該機(jī)器人能夠完成相應(yīng)的穩(wěn)定行走動作，證明了該機(jī)械結(jié)構(gòu)的有效性和合理性。由于本文設(shè)計的交叉足競走機(jī)器人只有雙足結(jié)構(gòu)，存在一定的問題，可以通過進(jìn)一步的設(shè)計和改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)100%完成相關(guān)的動作，可以廣泛應(yīng)用于教學(xué)、競賽等領(lǐng)域。

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