韋勇 陳美玲 崔安琪 羅秋艷 胡義華

基金項目：柳州市科技開發(fā)項目（項目編號：2017BA20203）。

作者簡介：韋勇（1971—），男，本科，工程師，研究方向為機械制造工藝與設備。

通信作者：胡義華（1972—），男，碩士，副教授，研究方向為工業(yè)機器人技術。E-mail：huyh2003@163.com。

摘要：本文設計了一種四足步行機器人，其可在搭載平臺裝置條件下來平緩完成直線及轉彎運動。首先，對步行機器人的行走和轉彎結構進行尺寸設計;其次用ProE和CAD軟件對該推進系統(tǒng)平臺進行三維建模;最后通過機構行走過程仿真進行機構的動作及速度驗證，結果表明，該設計機器人能夠平緩完成預期動作，為以后開發(fā)這種結構的行走機器人提供了參考。

關鍵詞：四足機器人;結構設計;三維建模;運動仿真

中圖分類號：TP391? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

中圖分類號：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，機器人廣泛應用于軍事、能源、汽車等行業(yè)，所以如何研發(fā)出運行效率高、穩(wěn)定性好、功耗低的機器人具有重要意義[1-2]。目前，國內外已投入市場或服役的行走機器人雖種類繁多，但都具有一定應用局限性，如履帶式機器人中的履帶結構導致的轉向緩慢困難，經濟性差，噪音大;輪式移動機器人可以轉向相對靈活，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用。而步足式機器人性能介于兩者之間，其結構簡單，制造成本低，雖承載小，但具有良好的機動性。本文根據步足式機器人具有的良好機動性、穩(wěn)定性以及低能耗的特點，設計一種可以自由行走的四足機器人，其可以在搭載負載平臺的條件下在陸地等復雜環(huán)境下可靠工作。

1 工作原理

本設計的目的是設計一款能自由行走的四足機器人，要求該結構的行走機器人在行走過程中四足協(xié)調，在直線行走和轉彎的過程中始終保持平穩(wěn)。

為了便于控制，提高整個機構的運行可靠性和穩(wěn)定性，本設計采用每一條腿的運動由一個獨立的電機控制，轉彎由另外的獨立電機控制，下文詳細介紹四足行走機器人的腿部和轉彎機構的設計。

2.1 機器人腿部結構設計

為了實現(xiàn)腿的基本功能，完成抬起、彎曲、向前跨步、然后落地的4個動作更加平穩(wěn)，機器人腿部運動結構采用典型的平面六連桿機構，每個腿由獨立的電機驅動，電機首先驅動曲柄，然后帶動小腿和大腿聯(lián)動，實現(xiàn)腳部的移動。大小腿連桿全部由低副組成，腳部設計成人足形，便于與在小腿擺動時與地面更好地接觸。通過控制4個電機的驅動順序，實現(xiàn)雙腿聯(lián)動的方式實現(xiàn)四足移動，單個腿部的詳細結構如圖1所示[3]。

2.2機器人轉彎結構設計

為了保證轉彎時前后兩條腿動作協(xié)調，分別采用4個電機控制前腿和后腿。其中，控制原理均為電機通過驅動軸驅動一對直齒圓錐齒輪，通過齒輪的轉動帶動傳動軸，傳動軸下面連接腿部，實現(xiàn)機器人的轉彎運動，詳細結構如圖2所示。在轉彎過程中，為了保證四足的轉彎協(xié)同，通過調節(jié)4個電機的轉動的頻率與轉動的幅度，來實現(xiàn)轉彎過程中的整個機器人轉彎的方向控制，進而能控制機器人正常行走工作。

當機器人完成直線行走時，僅通過腿部電機驅動曲柄，通過曲柄帶動連桿機構進行轉動，實現(xiàn)機器人的直線行走;當機器人在行走過程中前方遇到障礙物時，控制轉彎的時候，分為兩個控制過程：一是轉彎電機輸出軸旋轉推動錐齒輪的轉動，四足依次側方向偏轉完成相應的角度;二是行走電機依舊控制前進。當轉彎行走完成以后，轉彎電機依次控制四足反轉相應的角度使機器人的腿部恢復到正常位置，繼續(xù)向前保持直線行走[4]。

2.3整體結構方案

為了保證機器人在行走及轉彎時各足間的不產生干涉問題，以及4個電機的合理布置使四足的受力對稱，該四足行走機器人采用上部平板式布局，4個轉彎電機及四足的結構采用前后對稱布局，整體結構方案設計詳細結構如圖3、圖4所示[5]。

通過圖3和圖4看，在采用這種布局方式時，為了避免轉彎側翻或前后腿間運動時的干涉，前后腿的間距、前腿間、后腿間的間距都應進行合理布局。另外，整個機器人的重量也要進行輕量化設計。

3 四足機器人三維建模

通過整體布局設計，在對本機構進行詳細的結構尺寸設計后，為了檢驗整個機構運行的具體情況，采用Pro/E軟件對步行機器人的整體結構進行三維建模及結構運動仿真，檢查各部件間是否存在尺寸不合適、裝配干涉[6]及運動是否協(xié)調。通過Pro/E軟件，分別構建了行走機器人站立、小跑姿態(tài)、轉彎的三維模型，分別如圖5、圖6、圖7所示。

由圖5可見，當機器人站立時，四足同時支撐地面，這是機器人的初識位置。

由圖6可知，當機器人在相對平坦無障礙條件下直線行走時，單個腿的運動是由腿部電機帶動大腿曲柄連桿機構實現(xiàn)擺動，同時大腿連桿帶動小腿連桿上下擺動，從而實現(xiàn)機器人單腿行走時的全部動作過程。通過控制4個電機的協(xié)調完成四足動作，帶動機器人完成直線行走。在整個運動過程中，始終保持四足中斜對兩足同時離開地面，另外兩足支撐整個機體。

由圖6可知，在行進過程中遇到障礙物時，行進電機帶動前行的同時，轉彎電機帶動轉彎結構中錐齒輪旋轉實現(xiàn)機器人腿部進行側方向偏移，腿部的偏移需在足部離開地面時進行[7-8]。

4機構運動仿真

為了驗證機構運行的平穩(wěn)性，對本結構的機器人進行了機構運動仿真。本次仿真設置單次步距為0.02m，整個結構行走的速度為0.02m/s。通過機構仿真規(guī)劃了機器人小跑時的步態(tài)運動分析圖，規(guī)定初試運動時，首先是左前腳和右后腳運動，左前腳和右后腳著地后右前腳和左后腳運動抬起，然后交替進行完成行走，如圖9所示。通過行走的運動仿真，得到單個腳步的運動軌跡曲線如圖9所示。

為了進一步機構運動的可行性，采集了機器人單個腳趾在行進方向（X）上的位移和速度曲線，如圖10所示[9-10]。由動態(tài)曲線可知，該行走機器人的步態(tài)周期位置為，實際行走周期為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。在行進過程中，曲柄旋轉一次，機器人前進一步。通過仿真發(fā)現(xiàn)，在直線行進中，速度是恒定的，當轉彎時，速度會有一定的衰減，但行進過程比較平穩(wěn)。

通過結構仿真發(fā)現(xiàn)，采用該結構能實現(xiàn)最初的設計目標，機器人能夠按照預計的設計要求完成相應的動作，運動過程平穩(wěn)，但實際的運行速度較理想狀態(tài)稍低，足部沒有設計減震裝置，地面適應性較差。通過仿真后，后續(xù)可對機器人足部設計減震裝置，然后進行機器人的實體設計，進行實際機構的真實環(huán)境測試。

5 結論

為滿足陸地等復雜環(huán)境下可靠工作，本文設計了一種能自由行走的四足步行機器人，通過機構運動仿真驗證了該四足機器人可以完成直線及轉彎行進，機器人的背部可以搭載平臺裝置來完成其他任務要求。在仿真中本文僅對行走機器人的直線行走和轉彎進行了簡單的仿真，沒有對機器人的具體運動進行試驗分析，在接下來的研究中需要輸入機器人步行機構和轉彎機構具體的運動角度，從而對行走機器人進行更加準確的試驗研究，具體結論如下：

（1）通過規(guī)劃步行腿的運動原理、各個連桿的尺寸關系及控制方式，能夠實現(xiàn)機器人的直線步行及轉彎行走;

（2）通過三維軟件Pro/E建模及機構運動仿真，該結構的四足機器人能夠滿足設計要求;

（3）目前設計的機器人地面適應性較差，還需進一步對腿部進行優(yōu)化設計，進一步研究機器人運動參數(shù)的精準控制及運動穩(wěn)定性能。

參考文獻

[1] 汪世慶，單鑫，劉逸馳.四足機器人的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[J].造紙裝備及材料，2020，49（4）：227-228.

[2] 門寶，范雪坤，陳永新.仿生機器人的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢研究[J].機器人技術與應用，2019（5）：15-19.

[3] 吳偉國，工業(yè)機器人操作臂設計[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2020.

[4] 胡明偉，王洪光，潘新安.基于正交設計的協(xié)作機器人全域結構優(yōu)化設計[J].吉林大學學報：工學版，2021，51（1）：370-378.

[5] 馬廣英，劉潤晨，陳原，高軍，徐丕兵.4足機器人腿部機構運動學分析及步態(tài)規(guī)劃[J].北京理工大學學報，2020，40（4）：401-408.

[6] Yaqub， S.， Ali， A.， Usman， M. et al. A Spiral Curve Gait Design for a Modular Snake Robot Moving on a Pipe[J].Int. J. Control Autom. Syst.2019（17）：2565–2573.

[7] Itani， O.， Shammas， E. Motion planning for redundant multi-bodied planar kinematic snake robots[J].Nonlinear Dyn.2021，104：3845–3860.