机器人足式行走机构技术浅析

杨喜飞

摘  要：本文就机器人足式行走机构的机械足的布置及数量设置、机械足的腿杆结构设计、机械足的足底设计、足式行走机构的复合设计等方面的技术进行了介绍和分析，并提出了部分设计原则，为机器人足式行走机构的设计提供参考。

关键词：机器人;行走机构;足式

前言

近年来，对移动机器人的研究受到重视，仿照生物的功能而发明的各种移动机器人越来越多，小到娱乐机器人玩具、家用服务机器人，大到工程探险、反恐防爆、军事侦察机器人等，人们已经清楚地体会到地面移动机器人作为移动机器平台的优越性。相应地，这些领域对所应用的移动机器人系统也提出了更高的要求，特别是在机器人的运动速度、灵活性、自主性、作业能力等方面的要求越来越高[1]。

足式机器人是基于仿生学、机械设计、控制理论和人工智能等多学科交叉的一种特殊的移动机器人。与轮式和履带式爬壁机器人相比，腿足式爬壁机器人具有较强的越障能力和灵活性，因此近年来受到国内外学者的广泛关注 [2]。本文就机器人足式行走机构的一些关键技术进行了技术优劣性分析，并提出了部分设计原则，为机器人足式行走机构的设计提供参考。

一、机械足的布置及数量设置

机械足的布置与机器人的行走稳定性相关，且设置方式均为周向均匀布置或左右对称布置，除了遵循仿生设计的原则外，在布置双数足时，还应至少沿机器人行走方向对称布置，图1。这样才能在行走的过程当中，确保机器人的稳定性。

而关于机械足的设置数量，同样与机器人的行走稳定性相关，通常来说，支撑点越多，机器人的稳定性和越障性能就越好。人和动物的运动能力和执行指定任务的能力是移动机器人追求的目标，因此就机器人仿生原型来看，主要有二足、四足、六足3 种主流型号[1]，其中二足多为仿人机器人，其静态和动态稳定性均比较差，对于机器人结构设计（如重心位置等）和运动控制算法的要求非常高，另外，对于机械足的自由度要求也较高;四足和六足均为仿四足动物，其静态稳定性和动态稳定性较好，但对于多足的协同运动控制算法的要求较高。

二、机械足的腿杆结构设计

机械足的腿杆自由度的设计与机器人的行走越障性能相关，通常来说，机械足的自由度越多，其越障性能越好，但其关节的协同控制难度则越高。目前多数通过旋转和伸缩关节来实现机械足的多个自由度配置，其中伸缩关节也可以用于实现机械足尺寸的调整。如二足的拟人腿，单个腿具备7-9个自由度，而四足和六足機器人单个机械足往往具备2-3个自由度。

另外，机械腿杆的驱动布置对于机械足的灵活性也有较大影响。联动驱动和独立驱动两者驱动布置是目前较为常见的驱动方式。联动驱动是指多个足或关节共用同一个动力源，通过传动装置实现联动，这种驱动方式，控制系统简单，运动形式单一;独立驱动是指每个足的每个关节均设置一一对应的驱动装置，能够实现复杂的运动形式，但关节之间的协同控制难度大，控制和驱动系统成本较高。

在机器人的行走过程中，由于机械足与地面接触，产生的较大的振动，影响机器人的动态平衡，因此，往往需要在机器人上设置减震装置，根据振动的传递路径，减震装置通常设置在机器人本体和机器人腿杆上，而常见的腿杆减震装置包括套设在腿杆上的减震弹簧、作为支撑腿杆件的减震气缸、足底设置的减震垫等，其中在足底设置的减震垫或在腿杆上套设减震弹簧的方式，技术简单、成熟、成本低廉，但减震效果一般;而将支撑腿杆件设置为减震气缸，减震范围大，减震效果好，但对气缸系能要求较高，技术成本高。

三、机械足的足底设计

目前，对于机械足的足底设计在二足仿人机器人中考虑的比较多，在其他多足机器人中则考虑的较少。随着多足机器人应用场景的扩展，如用于在墙体或壁面上爬行（如在船体表面进行焊缝检测等），通过对机械足的足底的特殊设计来实现，如将机械足的足底设计为真空吸附和磁吸附的足底结构，由于这种吸附式足底设计，极大的增强了机器人的静态和动态稳定性，因此，能够有效减少机械足腿（如减少腿杆自由度，省去减震装置等）、机械足数量和布置（如减少机械足的数量等）方面的限制，但这种吸附式足底受其应用场景的局限比较大。

四、足式行走机构的复合设计

虽然，足式行走机构具备运动性能和越障性能好的特点，但在现有技术条件下其行走稳定性差、运动速度和效率底的缺点仍然比较突出。因此将机械足与其他行走机构，如轮式或履带式行走机构结合，形成复合式行走机构也被越来越多的研究。

将足式行走机构与其他行走机构复合式，通常采取如下种方式：

1）仅用于冗余支撑。即机械足不参与机器人正常的行走过程，仅在机器人特定情况（如越障时）下提供辅助支撑，以避免机器人发生倾倒。

2）作为机器人行走机构。即机械足参与机器人正常的行走过程，以提高机器人行走的适用环境。

小结

足式行走机构，具备较好运动能力和适应环境的能力，在未来具备广阔的应用前景。本文对足式行走机构的部分关键技术进行了分析和介绍，可以看出，确保足式行走机构的动态行走稳定性成为限制其实际应用的关键。

参考文献

[1]  王鹏飞，孙立宁，黄博.地面移动机器人系统的研究现状与关键技术[J].机械设计，2006，23（7）：1-4.

[2]  周友行，杨文佳，姜尚，章本毅.全气动四足爬壁机器人步态规划及吸附力试验研究[J]. 机械设计，2016，33（12）：37-42.