双足机器人技术设计

双足机器人技术设计

摘要：双足机器人的机构是所有部件的载体，也是设计双足机器人最基本的和首要的工作。本文根据项目规划和控制任务要求，按照从总体到部分、由主到次的原则，设计了一种适合仿人双足机器人控制的机构。文章首先从机构的设计目标出发，制定了总体设计方案，再根据总体方案进行了关键器件的选型，最后完成了各部分机构的详细设计工作。最终的机构在外型上具有仿人的效果，在功能上完全满足电气各部件机载化的安装要求。

关键词：载体；设计方案；控制

1 引言

双足机器人机构设计是机器人研制开发的首要问题。我们根据项目整体机构高度、重量、总自由度数、自由度的布局、以及整体机构最终要达到的步幅和步速的要求，首先确定了双足机器人机构的整体设计方案，其次根据研制进度的需要，按重要程度由高至低分步地进行了机构的设计、加工、装配和调试，直到满足设计要求。

2 机构总体设计方案

针对项目根据实际拟订目标，结合我们所学知识，从仿人外形和仿人运动功能实现，首先确定了双足双足机器人自由度。

双足机器人的机构是所有部件的载体，也是设计两足双足机器人最基本的和首要的工作。它必须能够实现机器人的前后左右以及爬斜坡和上楼梯等的基本功能，因此自由度的配置必须合理。首先分析双足机器人的运动过程(前向)和行走步骤:重心右移(先右腿支撑)、左腿抬起、左腿放下、重心移到双腿中间、重心左移、右腿抬起、右腿放下、重心移到双腿间，共分8个阶段。从机器人步行过程可以看出:机器人向前迈步时，髋关节与踝关节必须各自配置有一个俯仰自由度以配合实现支撑腿和上躯体的移动；要实现重心转移，髋关节和踝关节的偏转自由度是必不可少的;机器人要达到目标位置，有时必须进行转弯，所以需要有髋关节上的转体自由度。另外膝关节处配置一个俯仰自由度能够调整摆动腿的着地高度，使上下台阶成为可能，还能实现不同的步态。这样最终决定髋关节配置3个自由度，包括转体、俯仰、和偏转自由度，膝关节配置一个俯仰自由度，踝关节配置有俯仰和偏转两个自由度。这样，每条腿配置6个自由度，两条腿共12个自由度。髋关节、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纵向平面(前进方向)内的直线行走功能；髋关节的转体自由度可实现机器人的转弯功能；髋关节和踝关节的偏转自由度协调动作可实现在横向平面内的重心转移功能。提出了机

图（1）机构自由度分布图1 2 3 4 5 6

构的总体设计图，仿人双足机器人机构自由度如图（1），其下肢共计12个自由度。其中：每条腿包括髋部前、侧向、转动各1自由度，膝部前向1个自由度，踝部前向、侧向各1个自由度，其中髋部3个自由度完全正交，踝部2个自由度完全正交。

3 机构设计

双足机器人机构设计中关节轴系的结构设计必须紧凑，传动精度高，效率高，并保证提供必要的输出力矩和输出速度，以满足机构动态步行运动速度和承载能力。在上述机构的总体设计方案制定后，我们对机构中关键器件进行了选型，主要包括轴系电机、传动杆件等，为此我们根据轴系对运动实现的重要性把机器人所有轴系分为两类：主要轴系和次要轴系。主要轴系包括下肢所有轴系，它们涉及双足机器人基本运动功能的实现问题，因此是本项目机构设计的核心问题，其基本元件和结构方式必须首先确定下来才能展开以此为核心的机构设计和机加工工作。

3.1动力源的选择

目前市场上，有很多种电动机向机器人提供能源：直流电机、交流电机、步进电机、伺服电动机。由于双足双足机器人要求的精度要求比较高，而交直流电机通电就转，断电就停，比较难进行机器人的位置控制；步进电机虽能按一定的精度工作，但它本身是一个开环系统，精度达不到要求。因此，本文选择使用伺

服电动机。

在本文中使用的是价格比较便宜的伺服电动机--舵机，如图（2）。舵机最早出现在航模运动中。在航空模型中，飞行机的飞行姿态是通过调节发动机和各个控制舵面来实现的。舵机控制器一般采用PID控制，以满足舵机动静态指标要求；伺服功率放大器一般由脉冲宽度调制器(PWM)和开关控制电路组成；直流伺服电机是电动舵机的执行元件，可采用有刷或无刷直流电机；减速机构一般采用蜗轮蜗杆或丝缸减速机构。

主要轴系舵机的参数及性能:

图（2） MG995全金属齿轮13公斤大扭力舵机

技术参数:

尺寸：40mmX20mmX36.5mm

重量：62g

技术参数：无负载速度0.17秒/60度(4.8V)

有负载速度0.13秒/60度(6.0V)

扭矩：13KG

使用温度:-30—+60摄氏度

死区设定:4微秒

工作电压:3.0V-7.2V

3.2 机构具体设计

在上述机构总体设计方案和关键轴系器件确定后，我们对整体机构进行了由主到次的具体设计，其中包括下肢承载平台即下体机构设计、躯干机构设计、控制安装空间的设计，下面对这些工作进行具体的说明。

1.下体机构设计

下肢关节轴系结构设计，一般考虑的主要因素包括三个方面，其一是轴系最大驱动力矩要求，其二是轴系的结构强度和运动速度要求，其三是轴系的重量限

制。在本项目中。下肢轴系一方面需要提供足够的力矩和结构强度才能实现对本身和上体的承载，另一方面要达到足够的运动速度才能使机器人整体步行速度达到要求。因此，设计下肢关节轴系时，上述三个因素需要着重考虑，即在保证所需强度、驱动力矩、运动速度下，在重量、结构和尺寸上进行优化。

在整个下肢的结构设计中，我们摈弃了以往的关节串行链接的模式，通过传动杆件及轴承的搭配传动，在实现灵活自如的同时，使得多轴关节完全正交，其中包括踝部的前向与侧向关节完全正交，髋部的前向、侧向、转动三个关节完全正交。

在各个关节处采用连动杆件及轴承加固。考虑到舵机的承载能力，我们尽量减轻构件的重量。采用钢铝结合的方案，其中脚底板和腰部连接构件采用铝结构，腿部连结构件采用钢架结构。这样很好的利用了钢的硬度，和铝的重量轻的优点。另外,我们还利用舵机本身的长度作为杆件做了进一步的设计，从而达到了设计的要求和重量的轻便。

2.躯干机构设计

躯干在双足机器人中不仅仅起到连接下肢、上肢和头颈部分的作用，而且要为控制部件设备提供安装空间。在本项目中下肢部分的大功率轴系、无线控制器、运动控制器、无线遥控监控器以及锂离子电池组等都需要安装在机器人躯干部分，因此我们以塑料为材料，将躯干设计为一个中空的腔体，内部设计有支撑板，一方面保证腔体的结构强度，另一方面提供上述机载设备的安装构架，同时为了机载设备的维护更换方便，我们将躯干外围板筋设计成为各方可以自由装卸的组合形式。

3.机载安装空间设计

电气机载化安装是本项目的主要目标之一。因此在机构的设计中，机载电源子系统和控制子系统的机载安装空间和机载载荷平衡问题必须周到考虑。一方面我们尽量提高机载部分集成度，减轻机载部分重量。另一方面采用模块化分散化的设计原则和安装方式，尽量利用零散的机载空间。在机器人躯干部分的设计中，其内腔均设计为机载安装空间，为了今后的维修时便于拆卸，为此我们设计了针孔插拔装置。将运动控制器、电源变换模块、无线通讯模块、与控制模块以及接线端子连接器合理的布置在机载空间内。下肢轴系设计模块化后，采用板筋结构连接各个轴系组成整个下肢，轴系间板筋围成的空间作为下肢轴系底层功率驱动器的机载空间。

3.3 机构设计结果

“漫步者”双足机器人整体身高45cm，整机重量(包括机载设备)约1.5kg，机