雙足仿人機(jī)器人行走系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

劉璞，呂棟棟，呂瓊瑩

（長(zhǎng)春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022）

0 引言

雖然經(jīng)過(guò)多年的研究，但是當(dāng)今的仿人機(jī)器人在穩(wěn)定性、自適應(yīng)能力等方面還無(wú)法和人類(lèi)的行為功能進(jìn)行相比。這些能力的實(shí)現(xiàn)和提升還依賴于機(jī)械結(jié)構(gòu)的發(fā)展和研究[2]。在機(jī)器人進(jìn)行行進(jìn)時(shí)，產(chǎn)生較小的慣性、較低的扭曲變形是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮的因素，是對(duì)機(jī)器人正確控制的前提。所以，對(duì)承受機(jī)器人大部分重量的雙腿，是雙足仿人機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)考慮的對(duì)象，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠確保機(jī)器人的行走穩(wěn)定性、自適應(yīng)性，并且降低設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性[3]。因此，開(kāi)展雙足仿人機(jī)器人行走系統(tǒng)的相關(guān)研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。

1 雙足仿人機(jī)器人行走系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

雙足仿人機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是行走系統(tǒng)的重要組成，所以需要對(duì)雙足仿人機(jī)器人行走系統(tǒng)的行走原理進(jìn)行詳盡的分析，確保行走系統(tǒng)是穩(wěn)定的、實(shí)用的，而且體現(xiàn)出一定的美觀性[4]。為此，本文采用擬人化分析和模塊化設(shè)計(jì)的思想來(lái)對(duì)行走系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的自由度配置以及尺寸的確定，并充分考慮動(dòng)力源來(lái)使得機(jī)器人行走的穩(wěn)定。

1.1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)的擬人化分析

人類(lèi)的行走需要關(guān)節(jié)的支持。原則上機(jī)器人的關(guān)節(jié)越多帶來(lái)更好的靈活性，但是會(huì)造成機(jī)器人控制難度的提高，這就導(dǎo)致在行走系統(tǒng)設(shè)計(jì)上與其實(shí)現(xiàn)行走基本功能出現(xiàn)了矛盾。所以處理好設(shè)計(jì)和擬人化之間的矛盾是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容，即如何實(shí)現(xiàn)較好的擬人化和較易的控制[5]。

要化解這一矛盾需要將雙足仿人機(jī)器人的行走系統(tǒng)與人的行走原理相互結(jié)合，切實(shí)對(duì)人的行走所需要的各個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行詳盡的分析，獲取各個(gè)關(guān)節(jié)之間的協(xié)助作用、受力情況，從而使得仿人機(jī)器人在進(jìn)行關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)時(shí)候能夠獲取到類(lèi)人的自由行走、穩(wěn)定行走[6]。人體的骨骼分為上肢骨和下肢骨，本文只研究行走系統(tǒng)，所以只討論下肢骨。下肢骨又可以分為下肢帶骨和自由下肢骨，在下肢骨對(duì)行走系統(tǒng)影響最大的關(guān)節(jié)有髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)[7]，如圖1所示，下方的關(guān)節(jié)為踝關(guān)節(jié)，有兩個(gè)自由度，1為俯仰自由度（同11），2為滾動(dòng)自由度（同12）；中間的關(guān)節(jié)為膝關(guān)節(jié)，有一個(gè)自由度，3為俯仰自由度（同10）；上方的關(guān)節(jié)為髖關(guān)節(jié)，有三個(gè)自由度，4為俯仰自由度（同7），5為偏擺自由度（同8），6為滾動(dòng)自由度（同9）。對(duì)行走系統(tǒng)的擬人化分析主要對(duì)這些關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)以及替換轉(zhuǎn)換方法進(jìn)行分析和研究。

圖1 雙足仿人機(jī)器人自由度配置Fig. 1 Bipedal humanoid robot. freedom configuration

1.1.1 雙足仿人機(jī)器人行走系統(tǒng)的自由度配置分析

行走系統(tǒng)自由度的合理配置是雙足仿人機(jī)器人行走穩(wěn)定的根本保證，同時(shí)可以讓控制難易程度得到較好的保證。在最初的設(shè)計(jì)中，研究人員考慮了雙腿的4個(gè)自由度，分別為踝關(guān)節(jié)的兩個(gè)自由度和髖關(guān)節(jié)的兩個(gè)自由度，從而使得機(jī)器人可以往前走，并控制重心的轉(zhuǎn)移。但是這種方法沒(méi)有考慮膝關(guān)節(jié)的自由度，使得機(jī)器人行走特別僵硬。為此，本文采用6個(gè)自由度的設(shè)計(jì)方法[8]。但是如果只是對(duì)踝關(guān)節(jié)的搖擺自由度進(jìn)行簡(jiǎn)化，由髖關(guān)節(jié)輔助完成，這種方法雖然在靈活性上得到了較大提高，但是使得動(dòng)作協(xié)調(diào)的控制更加難。因此，本文對(duì)膝關(guān)節(jié)增加兩個(gè)自由度，每個(gè)關(guān)節(jié)分配2個(gè)自由度，使得設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)低成本、高靈活、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化，而且機(jī)器人的行走系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體積小，不僅僅會(huì)前進(jìn)，還實(shí)現(xiàn)了倒退、轉(zhuǎn)彎、平移以及各種動(dòng)作的組合[9]。

1.1.2 雙足仿人機(jī)器人行走系統(tǒng)的尺寸確定

人的行走通過(guò)膝關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)，那么對(duì)于機(jī)器人，行走系統(tǒng)可以簡(jiǎn)化為連桿的結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上考慮美觀性，根據(jù)黃金分割比例，將黃金數(shù)的值定位0.618[10]。所以我們將雙足仿人機(jī)器人的身高定位120 cm，然后在黃金分割系數(shù)的指導(dǎo)下，下身長(zhǎng)度定位為120×0.618等于71.16 cm，然后在去掉腰后大腿以及小腿的長(zhǎng)度則分別為37.08 cm和22.92 cm，然后四舍五入取整，大腿長(zhǎng)度為37 cm，小腿長(zhǎng)度為23 cm。

(1)信任前因。本文選取的資產(chǎn)負(fù)債率(apl)和營(yíng)業(yè)收入(turnover)兩個(gè)企業(yè)特征變量均在較高的置信水平下顯著，前者與能力信任(trust_ab)負(fù)相關(guān)，后者與能力信任正相關(guān)，表明小微企業(yè)的負(fù)債率越低，營(yíng)業(yè)收入越高，越有助于提升銀行對(duì)企業(yè)的能力信任。

1.2 雙足仿人機(jī)器人行走系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式的選擇

當(dāng)前雙足仿人機(jī)器人行走系統(tǒng)在驅(qū)動(dòng)方式選擇上主要有電機(jī)驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)三種。三種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)是應(yīng)用最廣泛的一種，響應(yīng)快、啟?？刂茝?qiáng)。電機(jī)一般選擇步進(jìn)電機(jī)或者伺服電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)控制不好情況下容易產(chǎn)生共振現(xiàn)象，對(duì)機(jī)器人的穩(wěn)定性造成不良影響。伺服電機(jī)調(diào)速相對(duì)容易，控制精度相對(duì)較高，過(guò)載能力較強(qiáng)，但是價(jià)格較高。所以對(duì)于機(jī)器人而言，選擇伺服電機(jī)可實(shí)現(xiàn)較好的控制性和穩(wěn)定性[11]。

氣壓驅(qū)動(dòng)應(yīng)用也相對(duì)廣泛，這是由于氣壓驅(qū)動(dòng)方式成本較低，只需要有空氣就可以工作，適應(yīng)性更強(qiáng)。但是該方式噪聲大，穩(wěn)定性相對(duì)較弱，這也使得氣壓驅(qū)動(dòng)應(yīng)用在機(jī)器人上較少，特別是應(yīng)用到關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)上。

液壓驅(qū)動(dòng)主要通過(guò)油管連接使得整個(gè)驅(qū)動(dòng)的質(zhì)量較低、空間較小，但是這種方式存在漏油現(xiàn)象，對(duì)于某些場(chǎng)合不適用。這導(dǎo)致了液壓驅(qū)動(dòng)在雙足仿人機(jī)器人上應(yīng)用較少。

根據(jù)上述分析，我們?cè)隍?qū)動(dòng)方式的選擇上選用伺服電機(jī)，使得整個(gè)系統(tǒng)和關(guān)節(jié)具有較好的穩(wěn)定性、控制性和靈活性。

1.3 雙足仿人機(jī)器人行走減速機(jī)構(gòu)的選擇

確定了驅(qū)動(dòng)方式之后，接下來(lái)的設(shè)計(jì)主要是要考慮電機(jī)的轉(zhuǎn)速問(wèn)題，即電機(jī)轉(zhuǎn)速與人的步行產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速的一致，這需要通過(guò)減速實(shí)現(xiàn)。減速主要通過(guò)渦輪蝸桿減速器（圖2）、諧波減速器（圖3）和行星減速器（圖4）實(shí)現(xiàn)[12]。

蝸輪蝸桿減速器在精確性上處于優(yōu)勢(shì)，并且具有反向自鎖能力。但是體積較大，效率不高，不適合于雙足仿人機(jī)器人。

圖2 渦輪蝸桿減速器Fig. 2 Turbine worm gear reducer

行星減速器形成的機(jī)構(gòu)體積較小，回程間隙小，精度高，在一定程度上滿足機(jī)器人的需求，但是造價(jià)高。

圖3 諧波減速器Fig. 3 Harmonic reducer

諧波減速器適應(yīng)性好，機(jī)械性能佳，在仿人機(jī)器人上應(yīng)用較好，所以本文選擇諧波減速器作為仿人機(jī)器人的減速部件。

圖4 行星減速器Fig. 4 Planetary reducer

1.4 雙足仿人機(jī)器人行走系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)方法

模塊化設(shè)計(jì)具有更好的可再塑性、還原性、修復(fù)性等優(yōu)點(diǎn)，在雙足仿人機(jī)器人行走系統(tǒng)設(shè)計(jì)上得到研究人員的廣泛研究和應(yīng)用。本文首先分析雙足仿人機(jī)器人的行走系統(tǒng)所要具備的功能和特點(diǎn)，然后對(duì)結(jié)構(gòu)分層分類(lèi)，對(duì)各個(gè)功能進(jìn)行合理的分組，使得維護(hù)性、改進(jìn)型得到加強(qiáng)，而且降低成本。本文將減速器和機(jī)電兩部分構(gòu)成關(guān)節(jié)模塊，進(jìn)一步細(xì)分又將關(guān)節(jié)模塊分為膝關(guān)節(jié)俯仰關(guān)節(jié)模塊和髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)十字交叉關(guān)節(jié)模塊[13]。

2 雙足仿人機(jī)器人行走系統(tǒng)的優(yōu)化方法

2.1 雙足仿人機(jī)器人行走系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化

優(yōu)化是在確定了結(jié)構(gòu)之后進(jìn)行的。拓?fù)鋬?yōu)化是解決材料的合理分配問(wèn)題，該優(yōu)化方法不需要指定優(yōu)化的變量，不需要人為設(shè)定。只需要確定所使用的材料的結(jié)構(gòu)特性，然后在給定的材料屬性中確定參數(shù)[14]，由程序自動(dòng)優(yōu)化，本文主要是優(yōu)化大腿的支架和小腿。

對(duì)這兩個(gè)部件，優(yōu)化之前分析所需零件的受力情況，如大腿所要承受的最大力矩，小腿的最大負(fù)載等。這些分析師基于大腿支架的變形機(jī)理進(jìn)行的。經(jīng)過(guò)分析可知，大腿支架的受力可以簡(jiǎn)化認(rèn)為是髖關(guān)節(jié)連接處的固定約束關(guān)系。然后將優(yōu)化目標(biāo)定位40%，從而就可以基于拓?fù)鋬?yōu)化方法對(duì)大腿支架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。對(duì)于小腿的拓?fù)鋬?yōu)化類(lèi)似。

2.2 雙足仿人機(jī)器人行走系統(tǒng)目標(biāo)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)化方法

拓?fù)鋬?yōu)化是對(duì)零件設(shè)計(jì)的拓?fù)湫誀顑?yōu)化，目標(biāo)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化則是在拓?fù)鋬?yōu)化的基礎(chǔ)上進(jìn)一步的優(yōu)化，是承接關(guān)系。目標(biāo)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化需要確定參數(shù)樣本點(diǎn)，對(duì)樣本進(jìn)行參數(shù)的輸入，從而根據(jù)插值函數(shù)生成樣本的曲線、響應(yīng)面。插值方法具有一定的誤差，需要通過(guò)多次擬合進(jìn)行優(yōu)化，使得結(jié)果更加精確，達(dá)標(biāo)最優(yōu)[15]。

由于參數(shù)非常重要，所以目標(biāo)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化方法還需要借助靈敏度分析方法[16]。靈敏度分析方法對(duì)支架的尺寸參數(shù)產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。靈敏度分析方法對(duì)大腿支架尺寸變量產(chǎn)生的效應(yīng)等進(jìn)行分析，從而確定參數(shù)變量、優(yōu)化目標(biāo)變量。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文擬人化思想運(yùn)用到仿人機(jī)器人行走系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案當(dāng)中,分析了人體的關(guān)節(jié)特征及行走機(jī)理,確定了待設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的自由度形式和分布方案,整體尺寸；選擇了合理的驅(qū)動(dòng)方式,結(jié)構(gòu)材料,通過(guò)合理布置電機(jī)位置來(lái)減少結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)慣性，對(duì)雙足仿人機(jī)器人的進(jìn)展具有一定的推動(dòng)作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 郭發(fā)勇. 仿人雙足機(jī)器人多地形步態(tài)規(guī)劃和穩(wěn)定控制方法研究 [D]. 合肥: 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2016.GUO Fa-yong. Study on Multi-terrain Gait Planning and Stability Control Method of Humanoid Bipedal Robot [D]. Hefei:China University of Science and Technology, 2016.

[2] 江開(kāi)春. 基于雙足仿人機(jī)器人的設(shè)計(jì)與研究 [D]. 石家莊: 石家莊鐵道大學(xué), 2014.JIANG Kai-chun. Design and Research of Bipedal Humanoid Robot [D]. Shijiazhuang: Shijiazhuang Railway University, 2014.

[3] 張雨. 仿人機(jī)器人的設(shè)計(jì)與研究 [D].青島: 青島科技大學(xué), 2017.ZHANG Yu. Design and Research of Humanoid Robot [D]. Qingdao: Qingdao university of Science and Technology, 2017.

[4] 周玉林, 高峰. 仿人機(jī)器人構(gòu)型 [J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2006(11): 66-74.ZHOU Yu-lin, GAO Feng. Humanoid Robot Configuration [J]. Journal of Mechanical Engineering, 2006(11): 66-74.

[5] 楊東超, 劉莉, 徐凱, 等. 擬人機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 [J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2003, 39(9): 70-74.YANG Dong-chao, LIU Li, XU kai, et al. Analysis on Kinematics of Humanoid robots [J]. Journal of Mechanical Engineering,2003, 39(9): 70-74.

[6] CHEVALLEREAU C, GRIZZLE J W, SHIH C L. Asymptotically Stable Walking of a Five-Link Underactuated 3-D Bipedal Robot [J].IEEE Transactions on Robotics, 2009, 25(1): 37-50.

[7] 張璐, 毛偉偉, 梁青, 等. 仿人機(jī)器人小腿減振控制研究 [J]. 計(jì)算機(jī)仿真, 2017, 34(4): 340-344.ZHANG Lu, MAO Wei-wei, LIANG Qing, et al. Research on the Vibration Control of Humanoid Robots [J]. Computer Simulation, 2017, 34(4): 340-344.

[8] 王健. 兩足仿人機(jī)器人的研制 [D]. 南京: 南京航空航天大學(xué), 2009.WANG Jian. Development of Bipedal Humanoid Robot [D]. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,.2009.

[9] 田陽(yáng). 小型雙足仿人機(jī)器人的設(shè)計(jì)與研發(fā) [D]. 青島: 中國(guó)海洋大學(xué), 2013.TIAN Yang. Design and Development of Small Bipedal Humanoid Robot [D]. Qingdao: China Ocean University, 2013.

[10] 肖樂(lè), 張玉生, 殷晨波. 仿人機(jī)器人雙足行走模型研究 [J]. 計(jì)算機(jī)工程, 2011, 37(12): 173-175.XIAO Le, ZHANG Yu-sheng, YIN Chen-bo. Research on Bipedal Walking Model of Humanoid Robot [J]. Computer Engineering, 2011, 37(12): 173-175.

[11] 付根平. 仿人機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃和步行控制研究 [D]. 廣州: 廣東工業(yè)大學(xué), 2013.FU Gen-ping. Study on gait planning and walking control of humanoid robots [D]. Guangzhou: Guangdong university of technology, 2013.

[12] LAPEYRE M, ROUANET P, OUDEYER P Y. The poppy humanoid robot: Leg design for biped locomotion [C]//Ieee/rsj International Conference on Intelligent Robots and Systems. IEEE, 2014: 349-356.

[13] 周珺. 科技信息化與企業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展 [J]. 新型工業(yè)化, 2016, 6(12): 77-80.ZHOU Jun. Technology Informatization and Enterprise Innovation Development [J]. New Industrialization, 2016, 6 (12): 77.80.

[14] 朱洪波. 仿人機(jī)器人高效步行模式生成與高穩(wěn)定動(dòng)態(tài)行走控制方法研究 [D]. 合肥: 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2017.ZHU Hong-bo. Research on the Generation and High Stable Dynamic Walking Control Method of Humanoid Robot with Efficient Walking Mode [D]. Hefei: China University of Science and Technology, 2017.

[15] FAKOOR M, KOSARI A, JAFARZADEH M. Humanoid Robot Path Planning with Fuzzy Markov Decision Processes [J]. Journal of Applied Research & Technology, 2016, 14(5): 300-310.

[16] 戴衛(wèi)力, 侯浩. 基于MCGS的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器人機(jī)接口設(shè)計(jì) [J]. 新型工業(yè)化, 2017, 7(9): 7-11.DAI Wei-li, HOU Hao. Based on MCGS Servo Motor Drive Man-machine Interface Design [J]. The Journal of New Industrialization, 2017,