两足步行机器人设计

左其波　王春玲　欧阳常童

摘要：近年来，机器人被越来越多的人所熟知，伴随着两足步行机器人研究技术的迅速发展。目前，机器人行走的方式很多，比如用轮式和履带式行走实现行走功能。但真正能够用腿步行机器人还是空谷足音。因此，对于两足步行机器人研究逐渐成为人们的热点。本课题首要针对两足步行机器人稳定的行走所需要的配置。

关键词：两足步行机器人；设计；制作

中图分类号：TP24 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）09-0104-02

机器人也是最近几十年发展起来的一门新学科，历史不久，但由于他的模仿人类能力强，适应性强的特点，吸引了全球各国科学人员的浓厚兴趣。由于现在的机器人依靠履带和轮式来进行移动，首先要想研究设计两足步行机器人，先应该对机器人的整体有一个比较深的认识。由于两足步行机器人要完全模拟人类的应该有的动作（上下楼梯，转弯动作，在不规则的地面上行走等），本文从以下几个方面钻研机器人的步行功能。

1 目标设定

研究步行机器人的难点首要表现在两足步行机器人具有多种关节，多个驱动器，多个自由度的特点；而且自由度的设计，各关节的活动直接影响机器人的外观、步行方式、活动范围的大小等。我们人类行走时的主要过程：有左右腿相互交替迈腿，收腿，达到向前步行的目的，主要需要七个过程。它的基本要求体系稳定性要好。

我们所研究的这款机器人不但能满足在不规则的地面行走还能进行转弯的稳定操作。因此，我们对机器人的关节、高度、自由度的设置要求必须是非常的严格。要想设计出这款机器人对我们的难度也是挺大的。

2 自由度的配置

自由度两足机器人如果要完成一些关于和人类相似的行为动作，那么它一定要有和人类相似的自由度。人类有上百个自由度和关节，所以对于机器人关节的选择，自由度的选择是至关重要的。

2.1 关节的确定

机器人的整体设计关键之一是关节的设计，在现实生活中，科研人员常常按照研究的需求来设计机器人的系统结构和自由度的配置。自古以来人类行走时手脚同时并用，而且肩膀和腰部也是不停地转动来实现步行。在我们快要摔倒的时候，我们可以利用脚掌出力，脚趾压住地面，就可以保持身体的稳定。要做到这一系列对于机器人来说是相当困难。我们发现机器人即便没有脚趾，行走时也是没有影响的，如果加上脚趾的话将使机器人结构变得很复杂，增加控制难度。所以，目前我们只研究机器人行走时最基本且必要的关节，结果表明：机器人至少有髋、膝、踝三个关节。因为这三个关节是实现两足步行机器人行走的主要原因，使得机器人稳定步行才成为可能。这三个关节对于稳定的行走来说是不可缺少，虽然它们担任着不同的工作，但它们在身体中起着紧密联系的作用，和我们的人体系统一样，缺一不可。在它们对机器人在步行过程中分别起到辅助平衡作用、实现支撑髋关节作用、实现迈步并使上躯体运动以及调整脚掌与地面的接触状况，以至于达到维持机体的稳定性。

2.2 自由度的确定

根据科研人员的研究报告，我们也得出了机器人最低限度下的自由度配置，应该还要在髋部和踝部各设置两个自由度，使得机器人可以在不平整的地面上站立以及步行。而要使得方便的上下台阶，只需要在膝关节上的一个自由度。因此，我们基本上可以设计一个完整的腿部，它每条腿上的自由度配置的要求是七个自由度。

考虑到两足步行机器人不仅能够可以完成走直线的目标，而且还能实现转弯的动作，所以我们将在颈部设计一个扭转自由度，还需要在头部增加一个前后向自由度并且要安装一个摄像头，使得机器人在头部自由度的作用下具有更大的扫描范围。

3 结构设计

3.1 布置对称性

结构对称对机器人研究来说也是关键的。就像人体一样，每个肢体关节都是对称的，使我们的重量达到平衡，维持身体的稳定性。对于两足步行机器人来说，也是这样的，我们主要研究机器人的腿部，故机器人的腿部的对称变得相当重要了。我们会按照这一点，对机器人的结构设计就会采取对称性布置的方式来进行设计。

3.2 驱动方案比较与电机布置

众所周知，机器人体积不能过于大，整个机体更不能太笨拙。由于现在的技术水平，机器人常用的驱动方式有三种基本类型方式，分别是液压驱动，气压驱动和电动驱动。液压驱动是一种成熟的技术，它的特点是功率大、成本高、结构简单，可以省空间，还有易于实现直接驱动的特点；气压驱动具有运行速度快、系统结构简单、所需材料价格低、媒介无污染等特点，但该驱动方式实现伺服控制过于困难。不仅如此，这两种驱动方式其他方面的有缺点，操作起来不是特别好。然而电机驱动就不同于他们，它的成本低、精度高、安全性好、而且不需要转换能量，控制起来方便灵活。现在机器人中电动驱动被广泛的选用舵机是一种形式独特的电机，舵机具有体积结构密集可以便于安放输出力矩，还具有稳定性好，控制方便等特点，也就使得对机器人结构的控制变得简单起来，而且也降低了制造机器人的本钱。舵机主要由如下的部件组成：外壳、电路板、无核心马达、齿轮与位置检测器、直流机等。那么信号是怎么控制电机转动呢？舵机几乎都有最大旋转角度，与普通电流电机的不同的一面是直流电机转动方式是一圈一圈的，而舵机只能以角度为界限伴随转动着，不能和直流电机一圈一圈的转动着，因此，舵机可以通过转动的角度来反馈信息并且带动反馈电位计的位置，从而达到控制电机转动的目的，进而又减少了购买设备的成本。

机体各部分的比例与人体比例差不多，对于空间的要求就很高，大部分元器件都放入机器人躯干内部也是一件不可能的事，由于机器人内部空间有一定的限度，同时头部和肩部的也需要有共同放置空间。此外，机器人的控制一些计算机等控制器元件也要占用躯干内部空间的一部分。所以，在设计时，所附带的驱动器等尽可能放置在下肢剩余的空间里面。这样一来，设计的不但符合人体尺寸比例，而且也有利于减小腿部的惯量，从而达到减小能量损耗的目的，而且保持了自身的稳定性。

3.3 减震性问题

人类的关节是由我们的肌肉保护着，当我们的关节接触到地面时，可以起到一定的减震作用，避免的过重的伤害。因此，减震器对于机器人来说是必不可少的，选择什么样的减震器也成了我们所要探究的问题。经过一番研究查询资料，我们决定使用谐波减震器。

4 结语

本文课题的研究任务主要是设计两足步行机器人适应在不平稳的，有障碍的以及地面行走方案，以及会转弯，可以实现更多的仿人工作。根据对两足机器人的研究，并对其进行结构分析，我们基本上可以確定该机器人所需要的关节的类型、自由度的配置，减震器的选择。并且将这三种驱动器进行了比较，最终我们选择了舵机作为动力源。

参考文献

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