单排双足机器人的机械结构设计

摘 要：本文将以双足步行机器人作为研究对象，双足步行机器人集机械、电子、计算机、仿生学、人工智能、自动控制等多门学科于一体，已成为机器人研发领域的热点。本文旨在设计一种结构简单控制简便的小型双足步行机器人，利用小型步进电动推杆代替传统电机，减小机器人的体积和负荷，利用Pro/E对机器人的下肢机构及相关零件进行3D建模和组装，结合人体行走的姿态和行为，对机器人的步态进行规划和设计，

关键词：双足步行机器人；步进电动推杆；步态设计；步行机理

注：福建省中青年教师教育科研项目（编号JA15589）

双足步行机器人配置了多个自由度，其运动的灵活性大为增强。可以通过摆动关节调节机器人的下肢高度来调节重心，所以其稳定性很高，不容易跌倒。双步行机器人还可在颠簸或有障碍的路面行走作业，特别是对泥土、沙子、石头地形的适应性较强，因此机器人行走时不用去考虑地形的好坏和腿部的放置位置是否合适，相比其他移动式的机器人在灵活性和机动性方面更胜一筹。

1 步态设计

机器人合适的步态连续步行运动的关键。以下两种是最为常用的步态设计方法：

基于仿生的步态设计：由于人造的双足步行机器人不可能做到百分之百模仿人类的行为举止，所以不能将仿生步态直接用于步行机器人。目前主要解决方法是将人的步行运动数据记录进行修正，然后再用于双足步行机器人。

基于分析、构造的步态设计：这种方法是有条件限制的，只有在满足步行稳定性的前提下，根据步行参数和机器人自身结构，确定双足步行机器人各个关节的运动轨迹。

2 自由度的配置

本文的双足步行机器人仅实现直线行走、静态转弯，最终决定骸关节配置2个自由度，包括俯仰和偏转自由度，膝关节配置1个俯仰自由度，踝关节配置有俯仰和偏转2个自由度，每条腿配置5个自由度，两条腿共12个自由度。骸关节、膝关节和踝关节的俯仰自由度共同协调动作可完成机器人的在径向平面内的直线行走功能；骸关节和踩关节的偏转自由度协调动作可实现在侧向平面内的重心转移功能；上述关节的自由度共同协调可实现机器人的静态转弯功能。

3 步行机器人选材

步行机器人的选材主要从工作环境、机械强度、外观视觉等几个方面去考虑，设计的机器人要能适应各种不同的工作环境。因为在日常生活中不确定因素太多，所以为了能保证机器人的稳定运行，要充分考虑各种能影响到稳定运行的可能性，特别是生活中一些带有腐蚀性的物质，所以选材料必须能耐腐蚀、耐磨损、耐高温。考虑到步行机器人的运动特性，在材料上要选择较高的抗拉强度、硬度和韧性，同时也要兼顾步行机器人的外观视觉，一个好的产品总能给人一个好的品相。为保证步行机器人的良好的综合性能，选用316L奥氏体不锈钢作为机器人的材料是再好不过的。316L奥氏体不锈钢可耐多种介质腐蚀、尤其是抗击点蚀效果显著，具有优秀的机械特性且光泽度好，外观漂亮。

4 驱动元件的比较与选择

1）直流电机

直流电机是机器人平台的标准电机，它功率调节范围宽、适应性强、性价比高、适用范围很广，很多轮式机器人都采用的直流电机。直流电机可以运行在8000-20000r/min之间，甚至更高。因此需要安装齿轮减速器，来降低电机转速，同时也增大了电机的转矩。在机器人上我们可以直接使用减速电机，但这无形中给机器人的电源增加了负担。

2）步进电机式电动推杆

直线电机也称推杆电机，是一种将旋转运动转变为推杆的直线往复运动的电力驱动装置。原理：电动机经齿轮减速后，带动一对丝杆螺母。把电机的旋转运动变成直线运动，利用电动机正反转完成推杆动作。电动推杆在一定范围行程内作往返运动，一般电动推杆的负荷和行程也可根据不同应用条件要求设计定做。相比其它电机直线电机有着以下优点：设计新颖精致、体积小、精度高、完全同步、自锁性能好、卫生，电机直接驱动，不需要管道的气源、油路。由于双足步行机器人要求的精度要求比较高，而直流电机通电就转，断电后在惯性作用下又不会马上就停，比较难进行机器人的位置控制；并且从体积小、高力矩、高精度、稳定性好、控制简单、装配灵活、等因素去考虑，选择步进电机式电动推杆来作为驱动元件为佳。

3）控制元件的选择

本课题设计中采用三菱FX2N_64MT_D 型PLC。三菱PLC是日系品牌，指令较多，编程直观易懂，学习难度较低，对于本科阶段的设计者来说是一个很好的选择。该型号的PLC 属于整体式的PLC，相对来讲比较节省空间，且输入输出都是28点的，可以留有一些余量，对于以后的开发很有益处，且三菱的FX2N系列PLC 寿命较长，可以减少日后的维护保养工作。

5 结构设计

双足步行机器人的腰部是联接两条腿的桥梁，是机器人实现行走不可或缺的元件，本設计方案中腰部还被要用来实现机器人的转弯动作。利用三维软件PRO/E对机器人腰部三维建模，髋关节的仿生设计效果图如1所示

1） 足部机构设计

足部关节的仿生设计如2所示

为了使机器人在行走过程中更加平稳，需考虑在足部增加个减震机构，利用弹簧的变形压缩来缓冲行走过程中的震荡。其示意图如3所示

未来的机器人行为姿态将高度模仿人类的肢体动作，完成各种高难度的动作，不再是一步一步地按部就班地去施行人的指令，而是有思维地去思考，以最优化最合适的方法去施行；未来机器人的外表和五官将与人类无异，采用人造肌肉，人造皮肤和五官，你有可能用肉眼根本就无法判断出来。总的来说未来机器人将朝着人工智能、自我意识、高度仿真、高度集成化的方向发展。

作者简介

杨建有（1985-），男，汉，福建三明，本科，讲师，研究方向：机电一体化。