一種四足行走機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

韋勇 陳美玲 崔安琪 羅秋艷 胡義華

基金項(xiàng)目：柳州市科技開(kāi)發(fā)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2017BA20203）。

作者簡(jiǎn)介：韋勇（1971—），男，本科，工程師，研究方向?yàn)闄C(jī)械制造工藝與設(shè)備。

通信作者：胡義華（1972—），男，碩士，副教授，研究方向?yàn)楣I(yè)機(jī)器人技術(shù)。E-mail：huyh2003@163.com。

摘要：本文設(shè)計(jì)了一種四足步行機(jī)器人，其可在搭載平臺(tái)裝置條件下來(lái)平緩?fù)瓿芍本€(xiàn)及轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)。首先，對(duì)步行機(jī)器人的行走和轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)進(jìn)行尺寸設(shè)計(jì);其次用ProE和CAD軟件對(duì)該推進(jìn)系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行三維建模;最后通過(guò)機(jī)構(gòu)行走過(guò)程仿真進(jìn)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作及速度驗(yàn)證，結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)機(jī)器人能夠平緩?fù)瓿深A(yù)期動(dòng)作，為以后開(kāi)發(fā)這種結(jié)構(gòu)的行走機(jī)器人提供了參考。

關(guān)鍵詞：四足機(jī)器人;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);三維建模;運(yùn)動(dòng)仿真

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：TH12

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2201-5640-7674

Abstract： In this paper， a quadruped walking robot is designed， which can smoothly complete straight line and turning motion under the condition of carrying platform device. Firstly， the walking and turning structures of the walking robot are designed. Secondly， the ProE and CAD software are used to make 3d modeling of the propulsion system platform. Finally， through the simulation of the walking process of the mechanism， the action and speed of the mechanism are verified. The results show that the designed robot can smoothly complete the expected action， which provides a reference for the future development of the walking robot with this structure.

Key words： Quadruped robot; Structural design; Three-dimensional modeling; Motion simulation

近年來(lái)，機(jī)器人廣泛應(yīng)用于軍事、能源、汽車(chē)等行業(yè)，所以如何研發(fā)出運(yùn)行效率高、穩(wěn)定性好、功耗低的機(jī)器人具有重要意義[1-2]。目前，國(guó)內(nèi)外已投入市場(chǎng)或服役的行走機(jī)器人雖種類(lèi)繁多，但都具有一定應(yīng)用局限性，如履帶式機(jī)器人中的履帶結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的轉(zhuǎn)向緩慢困難，經(jīng)濟(jì)性差，噪音大;輪式移動(dòng)機(jī)器人可以轉(zhuǎn)向相對(duì)靈活，但僅適用于地面平坦的道路，在惡劣的野外山地、沼澤地等地形中難以應(yīng)用。而步足式機(jī)器人性能介于兩者之間，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低，雖承載小，但具有良好的機(jī)動(dòng)性。本文根據(jù)步足式機(jī)器人具有的良好機(jī)動(dòng)性、穩(wěn)定性以及低能耗的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種可以自由行走的四足機(jī)器人，其可以在搭載負(fù)載平臺(tái)的條件下在陸地等復(fù)雜環(huán)境下可靠工作。

1 工作原理

本設(shè)計(jì)的目的是設(shè)計(jì)一款能自由行走的四足機(jī)器人，要求該結(jié)構(gòu)的行走機(jī)器人在行走過(guò)程中四足協(xié)調(diào)，在直線(xiàn)行走和轉(zhuǎn)彎的過(guò)程中始終保持平穩(wěn)。

為了便于控制，提高整個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性，本設(shè)計(jì)采用每一條腿的運(yùn)動(dòng)由一個(gè)獨(dú)立的電機(jī)控制，轉(zhuǎn)彎由另外的獨(dú)立電機(jī)控制，下文詳細(xì)介紹四足行走機(jī)器人的腿部和轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

2.1 機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)腿的基本功能，完成抬起、彎曲、向前跨步、然后落地的4個(gè)動(dòng)作更加平穩(wěn)，機(jī)器人腿部運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)采用典型的平面六連桿機(jī)構(gòu)，每個(gè)腿由獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)首先驅(qū)動(dòng)曲柄，然后帶動(dòng)小腿和大腿聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)腳部的移動(dòng)。大小腿連桿全部由低副組成，腳部設(shè)計(jì)成人足形，便于與在小腿擺動(dòng)時(shí)與地面更好地接觸。通過(guò)控制4個(gè)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)順序，實(shí)現(xiàn)雙腿聯(lián)動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)四足移動(dòng)，單個(gè)腿部的詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖1所示[3]。

2.2機(jī)器人轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了保證轉(zhuǎn)彎時(shí)前后兩條腿動(dòng)作協(xié)調(diào)，分別采用4個(gè)電機(jī)控制前腿和后腿。其中，控制原理均為電機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)一對(duì)直齒圓錐齒輪，通過(guò)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)傳動(dòng)軸，傳動(dòng)軸下面連接腿部，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)，詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。在轉(zhuǎn)彎過(guò)程中，為了保證四足的轉(zhuǎn)彎協(xié)同，通過(guò)調(diào)節(jié)4個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率與轉(zhuǎn)動(dòng)的幅度，來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎過(guò)程中的整個(gè)機(jī)器人轉(zhuǎn)彎的方向控制，進(jìn)而能控制機(jī)器人正常行走工作。

當(dāng)機(jī)器人完成直線(xiàn)行走時(shí)，僅通過(guò)腿部電機(jī)驅(qū)動(dòng)曲柄，通過(guò)曲柄帶動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的直線(xiàn)行走;當(dāng)機(jī)器人在行走過(guò)程中前方遇到障礙物時(shí)，控制轉(zhuǎn)彎的時(shí)候，分為兩個(gè)控制過(guò)程：一是轉(zhuǎn)彎電機(jī)輸出軸旋轉(zhuǎn)推動(dòng)錐齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，四足依次側(cè)方向偏轉(zhuǎn)完成相應(yīng)的角度;二是行走電機(jī)依舊控制前進(jìn)。當(dāng)轉(zhuǎn)彎行走完成以后，轉(zhuǎn)彎電機(jī)依次控制四足反轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度使機(jī)器人的腿部恢復(fù)到正常位置，繼續(xù)向前保持直線(xiàn)行走[4]。

2.3整體結(jié)構(gòu)方案

為了保證機(jī)器人在行走及轉(zhuǎn)彎時(shí)各足間的不產(chǎn)生干涉問(wèn)題，以及4個(gè)電機(jī)的合理布置使四足的受力對(duì)稱(chēng)，該四足行走機(jī)器人采用上部平板式布局，4個(gè)轉(zhuǎn)彎電機(jī)及四足的結(jié)構(gòu)采用前后對(duì)稱(chēng)布局，整體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖3、圖4所示[5]。

通過(guò)圖3和圖4看，在采用這種布局方式時(shí)，為了避免轉(zhuǎn)彎側(cè)翻或前后腿間運(yùn)動(dòng)時(shí)的干涉，前后腿的間距、前腿間、后腿間的間距都應(yīng)進(jìn)行合理布局。另外，整個(gè)機(jī)器人的重量也要進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

3 四足機(jī)器人三維建模

通過(guò)整體布局設(shè)計(jì)，在對(duì)本機(jī)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)后，為了檢驗(yàn)整個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)行的具體情況，采用Pro/E軟件對(duì)步行機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模及結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真，檢查各部件間是否存在尺寸不合適、裝配干涉[6]及運(yùn)動(dòng)是否協(xié)調(diào)。通過(guò)Pro/E軟件，分別構(gòu)建了行走機(jī)器人站立、小跑姿態(tài)、轉(zhuǎn)彎的三維模型，分別如圖5、圖6、圖7所示。

由圖5可見(jiàn)，當(dāng)機(jī)器人站立時(shí)，四足同時(shí)支撐地面，這是機(jī)器人的初識(shí)位置。

由圖6可知，當(dāng)機(jī)器人在相對(duì)平坦無(wú)障礙條件下直線(xiàn)行走時(shí)，單個(gè)腿的運(yùn)動(dòng)是由腿部電機(jī)帶動(dòng)大腿曲柄連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)，同時(shí)大腿連桿帶動(dòng)小腿連桿上下擺動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人單腿行走時(shí)的全部動(dòng)作過(guò)程。通過(guò)控制4個(gè)電機(jī)的協(xié)調(diào)完成四足動(dòng)作，帶動(dòng)機(jī)器人完成直線(xiàn)行走。在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，始終保持四足中斜對(duì)兩足同時(shí)離開(kāi)地面，另外兩足支撐整個(gè)機(jī)體。

由圖6可知，在行進(jìn)過(guò)程中遇到障礙物時(shí)，行進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)前行的同時(shí)，轉(zhuǎn)彎電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)中錐齒輪旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人腿部進(jìn)行側(cè)方向偏移，腿部的偏移需在足部離開(kāi)地面時(shí)進(jìn)行[7-8]。

4機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真

為了驗(yàn)證機(jī)構(gòu)運(yùn)行的平穩(wěn)性，對(duì)本結(jié)構(gòu)的機(jī)器人進(jìn)行了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真。本次仿真設(shè)置單次步距為0.02m，整個(gè)結(jié)構(gòu)行走的速度為0.02m/s。通過(guò)機(jī)構(gòu)仿真規(guī)劃了機(jī)器人小跑時(shí)的步態(tài)運(yùn)動(dòng)分析圖，規(guī)定初試運(yùn)動(dòng)時(shí)，首先是左前腳和右后腳運(yùn)動(dòng)，左前腳和右后腳著地后右前腳和左后腳運(yùn)動(dòng)抬起，然后交替進(jìn)行完成行走，如圖9所示。通過(guò)行走的運(yùn)動(dòng)仿真，得到單個(gè)腳步的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線(xiàn)如圖9所示。

為了進(jìn)一步機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的可行性，采集了機(jī)器人單個(gè)腳趾在行進(jìn)方向（X）上的位移和速度曲線(xiàn)，如圖10所示[9-10]。由動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)可知，該行走機(jī)器人的步態(tài)周期位置為，實(shí)際行走周期為12s，位移為。由于速度是周期性變化的，其行走速度約為0.0117m/s。在行進(jìn)過(guò)程中，曲柄旋轉(zhuǎn)一次，機(jī)器人前進(jìn)一步。通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)，在直線(xiàn)行進(jìn)中，速度是恒定的，當(dāng)轉(zhuǎn)彎時(shí)，速度會(huì)有一定的衰減，但行進(jìn)過(guò)程比較平穩(wěn)。

通過(guò)結(jié)構(gòu)仿真發(fā)現(xiàn)，采用該結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)最初的設(shè)計(jì)目標(biāo)，機(jī)器人能夠按照預(yù)計(jì)的設(shè)計(jì)要求完成相應(yīng)的動(dòng)作，運(yùn)動(dòng)過(guò)程平穩(wěn)，但實(shí)際的運(yùn)行速度較理想狀態(tài)稍低，足部沒(méi)有設(shè)計(jì)減震裝置，地面適應(yīng)性較差。通過(guò)仿真后，后續(xù)可對(duì)機(jī)器人足部設(shè)計(jì)減震裝置，然后進(jìn)行機(jī)器人的實(shí)體設(shè)計(jì)，進(jìn)行實(shí)際機(jī)構(gòu)的真實(shí)環(huán)境測(cè)試。

5 結(jié)論

為滿(mǎn)足陸地等復(fù)雜環(huán)境下可靠工作，本文設(shè)計(jì)了一種能自由行走的四足步行機(jī)器人，通過(guò)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真驗(yàn)證了該四足機(jī)器人可以完成直線(xiàn)及轉(zhuǎn)彎行進(jìn)，機(jī)器人的背部可以搭載平臺(tái)裝置來(lái)完成其他任務(wù)要求。在仿真中本文僅對(duì)行走機(jī)器人的直線(xiàn)行走和轉(zhuǎn)彎進(jìn)行了簡(jiǎn)單的仿真，沒(méi)有對(duì)機(jī)器人的具體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行試驗(yàn)分析，在接下來(lái)的研究中需要輸入機(jī)器人步行機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)具體的運(yùn)動(dòng)角度，從而對(duì)行走機(jī)器人進(jìn)行更加準(zhǔn)確的試驗(yàn)研究，具體結(jié)論如下：

（1）通過(guò)規(guī)劃步行腿的運(yùn)動(dòng)原理、各個(gè)連桿的尺寸關(guān)系及控制方式，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人的直線(xiàn)步行及轉(zhuǎn)彎行走;

（2）通過(guò)三維軟件Pro/E建模及機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真，該結(jié)構(gòu)的四足機(jī)器人能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求;

（3）目前設(shè)計(jì)的機(jī)器人地面適應(yīng)性較差，還需進(jìn)一步對(duì)腿部進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步研究機(jī)器人運(yùn)動(dòng)參數(shù)的精準(zhǔn)控制及運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性能。

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