四足教具機器人機構(gòu)設(shè)計及運動仿真

張艷華，張淑萍，李真真

（廣東科技學(xué)院機電工程學(xué)院，廣東東莞 523083）

0 引言

教具機器人是一種應(yīng)用于教育領(lǐng)域的機器人，通常具有以下特點：1）適合教學(xué)，滿足教學(xué)使用的相關(guān)需求；2）具有良好的性能價格比，特定的教學(xué)用戶群體決定其價格不能太高；3）是開放和可擴展的，可以根據(jù)需要輕松添加或減少功能模塊。此外，還應(yīng)具有友好的人機界面。

但是，對于剛剛?cè)腴T初學(xué)機器人的低齡小學(xué)生，他們所接觸的不應(yīng)該是機器人復(fù)雜的模塊和繁瑣的編程，對機器人結(jié)構(gòu)的理解和感興趣應(yīng)是學(xué)習(xí)機器人的重要第一步。為此，本文將使用SolidWorks軟件設(shè)計一款經(jīng)濟效益高、結(jié)構(gòu)簡單合理、使用和維護容易、數(shù)據(jù)可靠的具有啟蒙教育作用的教具機器人。

國內(nèi)外學(xué)者對于四足機器人已經(jīng)做了大量的研究，國內(nèi)在這一方面起步較晚，但發(fā)展速度比較快，已經(jīng)取得了一定成果，如模仿牛類、犬類動物的設(shè)計[1]。此次設(shè)計的機器人是一種面向家庭服務(wù)、娛樂教育的機器人，目的在于增加課堂教學(xué)的直觀性和趣味性。為了適應(yīng)家庭環(huán)境快速靈活地移動，設(shè)計了一款仿四足動物行走的四足機器人。

1 總體方案設(shè)計

四足機器人必須滿足以下幾個基本條件：1）穩(wěn)定行走；2）具有較強的地形適應(yīng)能力[2]。在實際中，足式機器人的行走機構(gòu)大都采用連桿機構(gòu)[3]。通過觀察和研究楊森行走連桿，以連桿機構(gòu)為基礎(chǔ)設(shè)計一款四足步行機器人[4]，可以輕松實現(xiàn)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單合理、使用和維護方便。

設(shè)計出的機器人機構(gòu)如圖1所示。由原動機、傳動裝置和工作裝置三部分組成[5]。原動機為微型電動機3，工作部分為腿部機構(gòu)5。電動機輸出的轉(zhuǎn)矩通過小齒輪6與大齒輪2的嚙合連接降低速度，同時帶動與大齒輪2同軸的齒輪3旋轉(zhuǎn)，由于齒輪3與齒輪1和齒輪4嚙合，從而將轉(zhuǎn)動傳給了與它們同軸的腿部機構(gòu)，帶動腿部運動。驅(qū)動四足運動的齒輪共有6個，圖中標(biāo)出了驅(qū)動右側(cè)前后兩足運動的3個齒輪，分別是1、3和4，驅(qū)動左側(cè)前后兩足運動的齒輪也有3個，布置和結(jié)構(gòu)與右側(cè)一致。

圖1 四足機器人總體設(shè)計結(jié)果

此機器人設(shè)計采用的主要傳動方式包括電動機、齒輪機構(gòu)、復(fù)合連桿機構(gòu)等，以單動力純機械傳動驅(qū)動整個機器人腿部，即使用微型電動機作為整體動力代替楊森行走機器人中的風(fēng)力驅(qū)動，通過齒輪傳動的方式讓其以恒定的步態(tài)實現(xiàn)四足行走的目的。

可以用于教學(xué)中做機構(gòu)傳動的演示，可使用SolidWorks進(jìn)行模型的展示或動作模擬，也可以3D打印成型組裝實物演示。

2 機構(gòu)設(shè)計

2.1 腿部設(shè)計

四足機器人的四條腿部均采用完全一致的關(guān)節(jié)配置，結(jié)構(gòu)均采用多連桿復(fù)合機構(gòu)組成，運動方式基于曲柄搖桿原理，具體組成如圖2所示，每條腿均由8個構(gòu)件組成，其中：機架8為固定件，連桿6為曲柄，是原動件，由電動機通過齒輪傳動驅(qū)動做勻速轉(zhuǎn)動，動力和運動通過普通連桿7、4、1、2、5，最終傳遞至腳部連桿3，帶動足部支撐，實現(xiàn)足部的移動和支撐。

圖2 腿部連桿機構(gòu)

該機構(gòu)中含有10個運動副，其中3處存在復(fù)合鉸鏈，根據(jù)自由度計算公式（1）可得該機構(gòu)自由度為1，可實現(xiàn)確定的相對運動：

2.2 足部支撐設(shè)計

由于腿部上方還會考慮安裝其他結(jié)構(gòu)，并且為了使機器人運動起來更加平穩(wěn)，改善整體的不平衡，最簡單方法就是增大每只腳與地面的接觸面積，這就必須在每個腿部安裝一個類似腳板的部件，具體結(jié)構(gòu)如圖1中的零件8所示。

2.3 齒輪傳動機構(gòu)設(shè)計

齒輪傳動是機械傳動中應(yīng)用最為廣泛的一類傳動，在常用的機械傳動中，齒輪傳動的效率是最高的。圓柱齒輪齒條傳動在正常潤滑條件下的效率可達(dá)到99%以上，在大功率傳動中，高傳動效率是十分重要的[6]。此次設(shè)計的四足機器人齒輪參數(shù)如表1所示。

表1 四足機器人齒輪參數(shù)

驅(qū)動四足運動的6個齒輪完全一致，既完成了既定運動，又簡化了齒輪機構(gòu)的組成。

3 機器人行走運動仿真

通過SolidWorks軟件的基本運動仿真的觀察，可以得出整個腿部四足行走機構(gòu)的步態(tài)行走軌跡，如圖3所示。

圖3 腿部行走軌跡

從圖中可以看出，每次抬腳落腳都是對角的兩只腿部同時運動，以此來實現(xiàn)行走動作。圖中仿真去除了足部支撐，這使得整個機器人的行走過程不夠平穩(wěn)，是因為腳與地面的接觸面積太小導(dǎo)致的，這也充分證明設(shè)計足部支撐的必要性。

4 可變徑齒輪的設(shè)計

從上述的運動仿真可以看出，采用傳統(tǒng)的齒輪機構(gòu)帶動腿部機構(gòu)運動時，每次都有兩腿著地。而通過對四足動物的行走步態(tài)觀察，在低速行走時，四足動物通常保持著三足著地，只移動剩下的一只腳的步態(tài)。要實現(xiàn)這樣的行走步態(tài)，當(dāng)然可以考慮使用四個步進(jìn)電動機單獨驅(qū)動每條腿來解決，但是這樣會使得機器人結(jié)構(gòu)過于繁瑣復(fù)雜。在簡單的楊森行走連桿結(jié)構(gòu)下可以將傳統(tǒng)齒輪改為可變徑齒輪去實現(xiàn)這樣的行走步態(tài)。

可變徑齒輪是非圓齒輪的一種，主要用于產(chǎn)生特定的運動規(guī)律，也有用作流量計中的計量元件。

平時的齒輪由于半徑固定，傳動比也是不變的，而可變徑齒輪由于直徑會變化導(dǎo)致傳動比也會隨之變化，那么相對于抬腳落腳各占一半周期的傳統(tǒng)四足可變徑齒輪可以縮短一個周期內(nèi)抬腳部分的占比，從而做到了保持三足著地的狀態(tài)。

將圖1中驅(qū)動4組運動的6個齒輪換成可變徑齒輪，如圖4所示，圖4中只列出了驅(qū)動右側(cè)前后兩足運動的齒輪，2、1、3分別對應(yīng)圖1中的1、3、4。

圖4 改裝變徑齒輪的四足機器人

通過改變齒輪類型，再次在SolidWorks 的基本運動仿真可以觀察到，由于傳動比的變化，縮短了一個周期內(nèi)抬腳部分的占比，四足機器人在行走時始終保持著三足著地只移動一只腳的行走步態(tài)。需要特別注意的是，在更改齒輪時，需要把曲柄的相位轉(zhuǎn)到合適的位置，否則是無法保持三足著地行走的狀態(tài)[7]。

5 微型電動機的選擇

直流電動機作為常見的普通電動機，其在各種玩具中使用較多，且其啟動特性和調(diào)速特性較好，調(diào)速范圍寬廣，在不同輸入驅(qū)動電壓的條件下，可以輸出不同的轉(zhuǎn)速，且調(diào)速特性較平滑，此外，直流電動機具備較高的過載能力，特別是起動和制動的瞬間能夠具有較高的轉(zhuǎn)矩。本文設(shè)計的四足機器人，其底盤結(jié)構(gòu)在運動過程中需要啟停具有較大的轉(zhuǎn)矩，且希望能夠具有較寬的調(diào)速范圍，因此，本文設(shè)計的機器人足部采用BM8206微型直流電動機進(jìn)行驅(qū)動。

6 結(jié)語

本文抓住了機器人教育這一熱門元素，結(jié)合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，充分考慮使用環(huán)境、成本控制、控制方案等，設(shè)計出一款四足行走機器人的機械結(jié)構(gòu)，利用SolidWorks軟件，將各機械機構(gòu)進(jìn)行靈活應(yīng)用，并很好地結(jié)合，最終獲得一個可以輔助教學(xué)的模型，對于機械類相關(guān)課程的教學(xué)及機器人的研究都能提供很大的幫助。

設(shè)計出的機器人雖不算美觀，但是結(jié)構(gòu)簡單，便于觀察機器人的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，能夠提高初學(xué)者尤其是低齡小學(xué)生對于學(xué)習(xí)機器人結(jié)構(gòu)的興趣。

通過運用SolidWorks軟件對機器人的行走功能設(shè)計進(jìn)行運動模擬和仿真，提供了兩種齒輪傳動方案，可實現(xiàn)四足機器人不同的行走狀態(tài)。