一種仿人直立行走機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

倪笑宇，馬晨園，王占英，耿明超，胡一龍

(河北建筑工程學(xué)院，張家口 075000)

0 引 言

仿人機(jī)器人的研制開始于20世紀(jì)60年代，雖然只有五十多年的歷史，但研究工作發(fā)展迅速，特別是近十年，隨著各種新技術(shù)的快速發(fā)展，世界各國在這一領(lǐng)域的研究取得了長足進(jìn)步[1-2]。我國在仿人機(jī)器人的研究方面起步較晚，整體技術(shù)很大一部分依靠國外引進(jìn)，但近些年也取得了很多研究成果，從四自由度到六自由度，從步態(tài)模擬到交叉足步，機(jī)器人的仿生已然成熟[3-6]。而本設(shè)計(jì)在滿足機(jī)器人基本行動(dòng)要求的前提下，保持自由度數(shù)目不變，減少電機(jī)個(gè)數(shù)，進(jìn)一步改進(jìn)結(jié)構(gòu)形式，采用直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，提高自由度利用率與整體強(qiáng)度，提升機(jī)器人的實(shí)用性。

1 雙足行走步態(tài)規(guī)劃

該設(shè)計(jì)仿人機(jī)器人采用單、雙腳交替支撐的方式步行，整個(gè)動(dòng)作的順序是機(jī)器人左胯—左腳—偏心—右胯—右腳循環(huán)執(zhí)行，如圖1所示。要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的步行，必須規(guī)劃出合理的步態(tài)，并能夠很好地調(diào)節(jié)重心。目前，比較成熟的步態(tài)規(guī)劃方法[7-9]，主要有基于仿生運(yùn)動(dòng)學(xué)的步態(tài)規(guī)劃方法、基于模型的步態(tài)規(guī)劃方法等，本文不再贅述。

圖1 雙足偏心行走示意圖

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)在滿足機(jī)器人基本步行要求的前提下，改變結(jié)構(gòu)、減少電機(jī)、提升負(fù)載。該種機(jī)器人結(jié)構(gòu)主要包括并聯(lián)平行四桿型腿部肢干機(jī)構(gòu)、行星輪型偏心機(jī)構(gòu)和不完全齒式轉(zhuǎn)體機(jī)構(gòu)。

2.1 腿部肢干機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前，常見的六自由度仿人機(jī)器人其主要驅(qū)動(dòng)件為舵機(jī)，同時(shí)結(jié)合肢干構(gòu)件組成懸臂梁型旋轉(zhuǎn)副，從腳踝到膝蓋共需要兩個(gè)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)一個(gè)小腿(膝蓋到腰胯則對(duì)應(yīng)一個(gè)大腿)的前后運(yùn)動(dòng)[10-11]。這種組合普遍應(yīng)用于小規(guī)模表演機(jī)器人，靈活性強(qiáng)，可塑性強(qiáng)，但在實(shí)用開發(fā)方向上有局限性：舵機(jī)為高度集成化的驅(qū)動(dòng)件，集電機(jī)、減速箱、硬件電路板于一體，精度較高，但體積較小，承受負(fù)載能力較差，在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)上無法同時(shí)滿足高負(fù)載能力與高精度雙重要求，一旦負(fù)載加重，極有可能造成舵機(jī)內(nèi)部零件的損毀。而要開發(fā)具有一定實(shí)用價(jià)值的機(jī)器人，負(fù)載能力是首先要考慮的，故以舵機(jī)為主要驅(qū)動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)副不是理想運(yùn)動(dòng)副。

因此，設(shè)計(jì)一種以直流電動(dòng)機(jī)為驅(qū)動(dòng)件的旋轉(zhuǎn)副，配合限位開關(guān)作為復(fù)位坐標(biāo)定位，發(fā)揮舵機(jī)部分反饋功能，配合平行四桿機(jī)構(gòu)作為肢干構(gòu)件且搭以行星輪一級(jí)減速作為中間傳動(dòng)，在滿足基本步行的要求下，彌補(bǔ)了舵機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)副的不足。

直流電動(dòng)機(jī)中的渦輪蝸桿減速電機(jī)具有斷電自鎖特性，故可以做到無功耗的狀態(tài)保持，在項(xiàng)目長期作業(yè)中，需要這一特性來開展其他工作。同時(shí)，避免了電機(jī)直接與運(yùn)動(dòng)構(gòu)件相連，故不存在舵機(jī)懸臂連接所帶來的同軸度偏差，而一級(jí)減速輸出軸兩端固定，可以均衡負(fù)載，使得承載能力大大提高。

該機(jī)器人肢干結(jié)構(gòu)為兩個(gè)并聯(lián)的平行四桿機(jī)構(gòu)，其中上下兩桿為平板狀。這樣設(shè)計(jì)的目的是為了均衡力矩，將局部力矩轉(zhuǎn)化為均布載荷，提高肢干負(fù)載能力，但運(yùn)動(dòng)特性與單個(gè)平行四桿機(jī)構(gòu)是一致的。平行四桿符合人類行走時(shí)身體在邁收步中腳掌保持平行的關(guān)系，與舵機(jī)驅(qū)動(dòng)相比，完成同樣的動(dòng)作卻少用一個(gè)電機(jī)，一方面降低了制造成本和功耗，另一方面用機(jī)械結(jié)構(gòu)代替腳踝電機(jī)與膝蓋電機(jī)的配合關(guān)系，大大提高了動(dòng)作吻合度，消除了負(fù)載對(duì)電機(jī)的徑向力，減輕了電機(jī)的負(fù)擔(dān)，大大增強(qiáng)了機(jī)器人的負(fù)載能力。綜上所述，平行四桿在高強(qiáng)度、高精度、動(dòng)作靈活性要求較低的環(huán)境下?lián)碛衅渌麢C(jī)構(gòu)不可比擬的優(yōu)勢(shì)。

平行四桿具有承載能力強(qiáng)、上下桿始終保持平行的優(yōu)良特性，但若想精確控制其上下桿錯(cuò)位位移，的確不同于解決常規(guī)錯(cuò)位問題那樣簡單。通常，齒輪齒條配合可以實(shí)現(xiàn)兩者之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，但只限于一個(gè)方向，而對(duì)于平行四桿中上下桿的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，其在X及Y方向均有位移，這不是簡單的齒輪齒條所能解決的了。有人提出用齒輪齒條結(jié)合滑塊實(shí)現(xiàn)高低副搭配來解決，高副負(fù)責(zé)X方向，低副負(fù)責(zé)Y方向，如此設(shè)計(jì)的確解決了問題，但并不是最佳。原因是平行四桿機(jī)構(gòu)雖然在運(yùn)動(dòng)路線上處于雙向，但其路線特征體現(xiàn)的是一個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)曲線，高低副搭配實(shí)則擁有兩個(gè)自由度，自由度越多，靈活性越強(qiáng)，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加強(qiáng)筋少，用兩個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)副代替一個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)副，只能保證正常工作，但在剛度等其他力學(xué)性能上卻不能滿足需要。

其實(shí)，一個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)路徑可能千變?nèi)f化，但其運(yùn)動(dòng)方式卻是單調(diào)的，把解決這個(gè)問題的出發(fā)點(diǎn)放在一個(gè)自由度的基礎(chǔ)上來思考：平行四桿上下桿運(yùn)動(dòng)是由兩側(cè)搖桿驅(qū)動(dòng)的，而搖桿與下桿僅為一個(gè)旋轉(zhuǎn)副，故上下桿相對(duì)運(yùn)動(dòng)路徑為一段圓弧，由此，便設(shè)計(jì)了行星輪組合，如圖2所示。只要令太陽輪所在分度圓圓心與雙搖桿旋轉(zhuǎn)中心的中點(diǎn)重合即可，行星輪與上桿為一個(gè)構(gòu)件，如此便實(shí)現(xiàn)了上下桿的行星運(yùn)動(dòng)，主動(dòng)輪圍繞從動(dòng)輪做行星運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)軌跡與四桿中的曲柄運(yùn)動(dòng)軌跡形成一對(duì)同心圓，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制的平行運(yùn)動(dòng)，且可以隨時(shí)鎖定。在受力方面，僅存在一個(gè)高副，沒有懸臂力矩，故行星輪組合實(shí)現(xiàn)平行四桿上下運(yùn)動(dòng)最佳。

圖2 平行四桿型肢干結(jié)構(gòu)

2.2 偏心機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

偏心機(jī)構(gòu)是所有步行機(jī)器人最為重要的轉(zhuǎn)移重心機(jī)構(gòu)，在設(shè)計(jì)上要充分考慮其負(fù)載能力、尺寸大小、安裝位置，且三個(gè)指標(biāo)互相影響。首先要選用減速比大的渦輪蝸桿電機(jī)；其次要盡量縮小機(jī)構(gòu)尺寸。普通舵機(jī)機(jī)器人一般繼續(xù)沿用其自身的肢干旋轉(zhuǎn)副，結(jié)構(gòu)簡單，但只限于質(zhì)量較小的表演型機(jī)器人，一旦負(fù)載加重，超出減速箱負(fù)載能力，極有可能造成崩齒；普通減速為正齒輪嚙合，構(gòu)件通過其連接之后會(huì)增大偏心力矩，給電機(jī)帶來額外的負(fù)載，這顯然不符合壓縮偏心機(jī)構(gòu)對(duì)負(fù)載的要求。

針對(duì)以上兩種情況，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種以行星輪減速，中間加以防抱死齒輪的偏心機(jī)構(gòu)，如圖3所示。不完全內(nèi)齒輪作為太陽輪，電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪作為行星輪，大大減小了負(fù)載力矩。普通正齒輪嚙合所承受的負(fù)載力矩為主動(dòng)輪分度圓半徑加從動(dòng)輪分度圓直徑，徑向矢量大，負(fù)載力矩大；內(nèi)齒輪與主動(dòng)輪相結(jié)合則徑向矢量為內(nèi)齒輪分度圓半徑減去主動(dòng)輪分度半徑的絕對(duì)值，顯然差要小于和，故在一定程度上壓縮了空間，縮小了負(fù)載對(duì)偏心電機(jī)的力矩。

圖3 行星輪型偏心結(jié)構(gòu)

加入防抱死齒輪，負(fù)載超過額定載荷時(shí)，機(jī)構(gòu)產(chǎn)生打滑，保護(hù)內(nèi)部零件。這里真正起到防抱死作用的是支撐防抱死齒輪的支撐桿，由于材料與機(jī)架不同，故其具有一定彈性。當(dāng)負(fù)載加重時(shí)，電機(jī)輸出扭矩不足以帶動(dòng)整個(gè)機(jī)構(gòu)，其上齒輪開始調(diào)節(jié)與主動(dòng)輪及內(nèi)齒輪的嚙合關(guān)系，最終被主動(dòng)輪“擠出”，產(chǎn)生打滑現(xiàn)象，避免了電機(jī)內(nèi)部的抱死，防止燒壞電機(jī)。

2.3 轉(zhuǎn)體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)器人轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)分為交叉步轉(zhuǎn)體和直接轉(zhuǎn)體。對(duì)于小型機(jī)器人，可以不增設(shè)轉(zhuǎn)體機(jī)構(gòu)自由度，直接編寫一套交叉步轉(zhuǎn)體程序即可實(shí)現(xiàn)。然而對(duì)于大型機(jī)器人或?qū)D(zhuǎn)體精度有較高要求的機(jī)器人，交叉步轉(zhuǎn)體精度差的問題便會(huì)放大，故必須增設(shè)一個(gè)新的轉(zhuǎn)體機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)精確轉(zhuǎn)體。常規(guī)方法為雙電機(jī)控制，且各自協(xié)調(diào)，分時(shí)運(yùn)動(dòng)，可行性高，唯一缺點(diǎn)就是多使用了一個(gè)電機(jī)。我們分析一下轉(zhuǎn)體過程，以向左轉(zhuǎn)為例：左偏心—右肢內(nèi)旋—偏心歸位—右偏心—左體后旋(右肢外旋)，走完這一流程，機(jī)器人整體以左腳為圓心，整體逆時(shí)針旋體，調(diào)整前進(jìn)方向?yàn)樽笄?，過程雖然稍微復(fù)雜，但對(duì)于右肢內(nèi)旋和左體后旋來說，這兩個(gè)過程分時(shí)且二者在空間上沒有任何干涉，運(yùn)動(dòng)特征為單調(diào)，因此可以用一個(gè)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)體運(yùn)動(dòng)，具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。虛線表示分度圓，實(shí)線表示齒根圓，其中主動(dòng)輪為不完全齒，目的是在與其中一個(gè)齒輪嚙合的同時(shí)，與另外一個(gè)齒輪脫離；每個(gè)從動(dòng)輪均加以扭簧復(fù)位，其上方分布有限位開關(guān)，二者相輔相成，當(dāng)所在從動(dòng)輪脫離主動(dòng)輪后，可以使其保持一定程度的靜止?fàn)顟B(tài)。如此設(shè)計(jì)最大的特點(diǎn)是節(jié)省一個(gè)電機(jī)，方便調(diào)試，節(jié)約成本，并且將其載荷置中，一定程度地減小了帶給偏心機(jī)構(gòu)的壓力。

圖4 轉(zhuǎn)體機(jī)構(gòu)圖解

3 結(jié) 語

試制仿人步行機(jī)器人原理樣機(jī)，如圖5、圖6所示。該原理樣機(jī)外形結(jié)構(gòu)采用3D打印完成，質(zhì)量輕，成本低。運(yùn)行結(jié)果表明，該機(jī)器人步態(tài)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、負(fù)載能力強(qiáng)、精度較高。

本文針對(duì)仿人步行機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，開發(fā)出一種新型結(jié)構(gòu)的步行機(jī)器人，主要包括行星輪式平行四桿肢干機(jī)構(gòu)、行星輪式偏心結(jié)構(gòu)和不完全齒式的轉(zhuǎn)體機(jī)構(gòu)。機(jī)器人采用渦輪蝸桿直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，其驅(qū)動(dòng)能力和承受負(fù)載能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常見的舵機(jī)，在大型機(jī)器人以及對(duì)負(fù)載能力要求較高的機(jī)器人中具有優(yōu)勢(shì)。

圖5 仿人步行機(jī)器人原理樣機(jī)

圖6 肢干結(jié)構(gòu)實(shí)物圖