基于Autocad和Pro-E的雙足競步機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計及軌跡跟蹤研究

李素云

（賀州學(xué)院，廣西 賀州 542899）

引言

2017年8月，我國中科院頒布《“智能機器人”重點專項2017年度項目專項申報指南》，該文件對新一代智能機器人、工業(yè)智能機器人、服務(wù)智能機器人、特種智能機器人的發(fā)展方向，做了明確指示.同時還指出，我國科技部下一步將按照基礎(chǔ)前沿技術(shù)類、共性技術(shù)類、關(guān)鍵技術(shù)與裝備類和示范應(yīng)用類四個層次，投資6億元，啟動42個機器人發(fā)展項目.以期到2020年我國實現(xiàn)工業(yè)機器人密度由70上升至150.這一政策支持下，有利于我國機器人技術(shù)實現(xiàn)突破，形成具有國際競爭力的行業(yè)龍頭企業(yè).雙足競步機器人是目前我國機器人研究領(lǐng)域，較為前沿性的研究項目，集電子學(xué)、計算機科學(xué)、力學(xué)等多門學(xué)科為一體，主要應(yīng)用于機器人教學(xué)和比賽中.但是，根據(jù)目前雙足競步機器人的研究成果來看，雙足競步機器人的操作和使用范圍，僅限于行走、翻跟頭等基礎(chǔ)性工作，如此一來機器人并不具備軌跡跟蹤的能力，因此往往會偏離機器人行走的路線，達不到預(yù)期的效果.因此，文章結(jié)合動力學(xué)和運動學(xué)理論，利用Autocad和Pro-E繪圖軟件對機器人的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)進行三維的設(shè)計，并進行軌跡跟蹤規(guī)劃[1].

1 雙足競步機器人自由度配置

自由度配置是雙足競步機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)工作，根據(jù)人體工學(xué)原理，通過觀察人體腿部組織結(jié)構(gòu)，可知人體腿部的髖關(guān)節(jié)呈球形狀，此處的自由度配置最高，具備三個自由度配置點，可以使腿部完成前、后、內(nèi)、外四個方向的旋轉(zhuǎn).其次是膝關(guān)節(jié)，這一組織結(jié)構(gòu)是銜接腿部上部分和下部分的重要關(guān)節(jié)，具備一個自由度配置點，可以使腿部完成前后兩個方向的轉(zhuǎn)動.其次是踝關(guān)節(jié)，這是人體重量的承重點，該組織具備2個自由度配置點，可以使腿部實現(xiàn)左右方向的翻轉(zhuǎn)和豎直方向的旋轉(zhuǎn).因此，要實現(xiàn)雙足競步機器人的靈活度與人體靈活度高度接近，需要給雙足競步機器人配置12個自由配置點，分別均勻的分布在雙足競步機器人兩條腿部結(jié)構(gòu)上，其中每條腿部的自由配置點為，膝關(guān)節(jié)1個、髖關(guān)節(jié)3個、踝關(guān)節(jié)2個[2].

2 基于Autocad和Pro-E的雙足競步機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)雙足競步機器人自由度配置點的分析結(jié)果，將雙足競步機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計分為髖部平臺結(jié)構(gòu)構(gòu)、腳部結(jié)構(gòu)、各關(guān)節(jié)連接結(jié)構(gòu)設(shè)計三個部分.并分別利用Autocad和Pro-E繪圖軟件對機器人三維的設(shè)計[3].

2.1 雙足競步機器人髖部平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

髖部平臺結(jié)構(gòu)是機器人功能的集中承載點，通過Autocad和Pro-E繪圖軟件的精準計算，將髖部平臺的的長度設(shè)置為113mm，寬度為68mm.其次在雙足競步機器人髖部平臺上，設(shè)計19個銜接端口，其中其中15個端口用于連接機器人（如圖2所示）.

雙腿、控制模塊、U型件，剩余4個端口用于機器人功能的擴展設(shè)計步驟具體為：

第一步：將機器人的腿部與髖部平臺結(jié)構(gòu)銜接，利用Autocad軟件，計算雙腿之間的間距，保障雙腿關(guān)于機器人縱向、橫向?qū)ΨQ.

第二步：將雙足競步機器人的電源和控制系統(tǒng)，嵌入髖部平臺.

第三步：雙足競步機器人髖部平臺與機器人的功能擴展機構(gòu)相連接.

圖1 雙足競步機器人髖部平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

2.2 雙足競步機器人腳部結(jié)構(gòu)設(shè)計

Autocad和Pro-E繪圖軟件的三維規(guī)劃，將雙足競步機器人腳部的長度設(shè)計為90mm，寬度設(shè)計為60mm，除此之外，在雙足競步機器人腳部設(shè)置上兩個40mm，寬20mm，高10mm的矩形的鏤空體，減輕雙足競步機器人腳部結(jié)構(gòu)的重量.最后，在腳板上設(shè)置4個關(guān)于機器人中心面對稱的鏈接端口，其目的一為連接傳感器，二為降低腳部機構(gòu)的重量[4].

2.3 雙足競步機器人連接器的機構(gòu)設(shè)計

為保障雙足競步機器人使用過程中的靈活度，需要通過配置4種連接件，銜接雙足競步機器人的各個主組織結(jié)構(gòu).分別為適配連接件、兩種不同尺寸的U型連接件、軸套連接件.首先，適配連接件用于雙足競步機器人舵機與髖部平臺、腳板、U型連接件連接.軸套連接件用于連接雙足競步機器人U型連接件與舵機相連的軸承連接.大尺寸的U型連接件用于連接雙足競步機器人的髖關(guān)節(jié)組織結(jié)構(gòu)、膝關(guān)節(jié)組織結(jié)構(gòu)、踝關(guān)節(jié)組織結(jié)構(gòu).最后用最小的U型連接件，用于固定雙足競步機器人的髖關(guān)節(jié)組織結(jié)構(gòu)[5].

2.4 組裝

雙足競步機器人的組裝具體分為四個部分，具體表現(xiàn)為:

第一步：將雙足競步機器人的六只舵機與機器人舵機自帶的軸承、花鍵相鏈接，將軸承連接器與雙足競步機器人的軸承相連接.再通過大尺寸U型連接器與雙足競步機器人適配連接器銜接.通過已連接好的雙足競步機器人花鍵和軸承套，用大尺寸U型連接件與雙足競步機器人銜接.

圖2 舵機與U型件連接

第二步：通過適配連接器將雙足競步機器人的一只腳板，與一只舵機相連，連接后，將雙足競步機器人與舵機相連U型連接器調(diào)整到與舵機垂直的位置，再通過適配連接塊，將下一只舵機與踝關(guān)節(jié)U型連接器相連，得到機器人的膝關(guān)節(jié).再依照雙足競步機器人膝關(guān)節(jié)的組裝方法，得到雙足競步機器人的髖關(guān)節(jié)，即機器人的一條腿[6].

圖3 機器人單腿

第三步：將組裝好的雙足競步機器人的兩條腿部結(jié)構(gòu)與小型U型連接器相連.

第四步：將雙足競步機器人的兩條腿部組織，通過小型U型連接器，與雙足競步機器人的髖部平臺連接，然后在腳板上安裝控制傳感器，最終構(gòu)成雙足競步機器人的整體圖[7].

圖4 機器人總裝配

3 雙足競步機器人軌跡跟蹤研究

文章利用Mat和Simulink模塊，進行雙足競步機器人軌跡跟蹤仿真研究，.軌跡圖如下所示：

圖5 直線運動擺動腿踝關(guān)節(jié)位置軌跡

圖6 直線運動髖關(guān)節(jié)位置軌跡

圖7 直線運動ZMP的軌跡

根據(jù)觀察雙足競步機器人髖關(guān)節(jié)組織結(jié)構(gòu)、踝關(guān)節(jié)組織結(jié)構(gòu)X項和Z項運動軌跡來看，兩者的運動變化軌跡相同，且雙足競步機器人直線運動ZPM的軌跡處于0.6-1.0之間，Matlab中Simulink模塊數(shù)據(jù)顯示，以雙足競步機器人的腳踝關(guān)節(jié)處為定點，以雙足競步機器人的腳掌邊緣線和后邊緣線的距離為變化量，通過計算變化量的結(jié)果得出，lα的正常范圍是0.6＜lα＜1.所以，雙足競步機器人的直線運動ZMP的軌跡只要處于0.6-1.0之間，說明雙足競步機器人的軌步處于穩(wěn)定狀態(tài).通過上述雙足競步機器人的軌跡跟蹤仿真實驗研究，得出該雙足競步機器人的軌跡規(guī)劃處于合理狀態(tài)，可以作為雙足競步機器人軌跡跟蹤的期望軌跡.

4 雙足競步機器人軌跡控制方法研究

從雙足競步機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程得出，雙足競步機器人具備多自由度和靈活性的特點.我們無法獲取雙足競步機器人詳細的數(shù)學(xué)模型，因此，在雙足競步機器人軌跡控制過程中，人們往往會忽略這類無法量化的因素，基于這一弊端，文章結(jié)合上述雙足競步機器人的組織結(jié)構(gòu)和雙足競步機器人軌步跟蹤數(shù)據(jù)，提出雙足競步機器人軌跡控制方法.

4.1 PID控制法

PID控制法是一種操作較為簡單的雙足競步機器人軌跡控制方法，在無法準確確定雙足競步機器人數(shù)字的模型的情況下，通過工程控制和數(shù)學(xué)物理方面的微積分比例，對雙足競步機器人進行閉環(huán)控制，再通過雙足競步機器人的負反饋信息，進行雙足競步機器人軌跡控制.

4.2 魯棒控制

雙足競步機器人在建模過程中，會存在一定的誤差，魯棒控制法有利于改善這一弊端.用魯棒控制所設(shè)計的雙足競步機器人控制器參數(shù)，不可隨意改動.如此一來，會降低機器人的自由度，提升了雙足競步機器人的控制精度.

4.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制法

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制法主要應(yīng)用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)、機理不明的機器人系統(tǒng)上，應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已能對任意形式的連續(xù)函數(shù)按任意精度進行逼近，能夠得出準確的雙足競步機器人的數(shù)字模型，有利于精確雙足競步機器人軌跡控制.

結(jié)語

綜上所述，要實現(xiàn)雙足競步機器人的靈活度與人體靈活度高度接近，需要給雙足競步機器人配置與人體腿部相同的12個自由度配置點.基于Autocad和Pro-E平臺三維設(shè)計，將雙足競步機器人組裝完成后，通過Mat和Simulink模塊進行雙足競步機器人軌跡跟蹤，最后，通過PID控制法、魯棒控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制法三個方面，提出雙足競步機器人軌跡控制方法規(guī)劃.