创新研修课： 足式机器人足部结构设计

机器人足部构型研究报告

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一．足式机器人的优点

足式运动在不平地面和松散地面上的运动速度较高，而能耗较少。对环境具有很强的适应性，既可以进入相对狭窄的空间，也可以跨越障碍，与其它各种移动方式相比，具有更广阔的应用前景。

1.足式机器人对步行环境要求很低，能适应各种地面且具有较高的逾越障碍的能力，不仅能够在平面行走，而且能够方便的上下台阶及通过不平整、不规则或较窄的路面，它的移动“盲区”很小。

2足式机器人具有广阔的工作空间，由于行走系统占地面积小，活动范围很大，其上配置的机械手具有更大的活动空间，也可使机械手臂设计得较为短小紧凑。

二．几种足部设计与构型

1.足一地接触力

行走时，足部所受到的地面的反作用力分为垂直、前后和左右方向。由于在

垂直方向上的反作用力的分力最大，在每个步态的周期转折点处出现极值，在脚

跟着地时出现一极大值，随着脚部逐渐放平，受力面积也逐渐增大，受力则减小，

当脚部完全放平时，受力最小，到脚跟离地，脚趾登地时出现另一个极大值，在

整个步行周期中，在垂直方向上受力曲线呈现对称双峰性质，如图1所示。

图1：脚部受力双峰曲线

2.平行四边形脚部机构

图2所示是一个用平行四边形机构作为脚趾的脚部机构，此种机构保

证了着地时脚部与地面的多点接触，类似人类行走时脚部着地的情况。平行四边

形依靠弹簧C施加作用于地面的扭力矩从而保证A、B两点同时触地，并帮助行

走时弹性起步，减少行走中能量得到消耗。

图2：平行四边形脚部机构

图3：典型的足部机构

3. LOLA脚部结构

几乎所有机器人的脚部都是一个整体，所以很难保证行走时的稳定性。不易实现行走过程中脚跟着地脚尖离地的行走方式，并且即使行走地面，只是稍微不平，就可能造成脚掌与地面接触不规律，影响仿人机器人的稳定性。

为了缓解上述问题，由德国慕尼黑工业大学研制的仿人机器人LOLA增加了一个脚趾自由度，行走速度有了很大的提高。

LOLA仿人机器人的脚部结构如图所示，由图可以看出，LOLA机器人的脚部增加了主动趾关节，通过控制脚趾转动的角度，来完成类人的行走方式“脚跟着地一脚尖离地”，并且能更好的适应地面。

图4：Lola的踝关节及脚步机构

。

4.脚跟冲击吸收机构

脚跟冲击吸收机构是一个四杆传动机构，机构简图如下

B, C处的铰链固定在脚掌上，脚跟着地受到地面的冲击力时，减震器将动能一部分转换成热能，再通过四杆机构将一部分转换成势能，从而降低了传递到踩关节的力与力矩。

图5：脚跟冲击吸收机构

二．足部构型设计

安装在内盘上的舵机通过控制转动轴，将舵机转过的角度值传递给变形轮的轮毂，以实现用单片机控制舵机角度来控制变形轮的变形与恢复。

当车体在平地运行时，车轮为圆形，通过电动机驱动使机器人前进或停止或后退。

当遇到障碍物或软质地爬坡时，时车轮变形为由三个120度的圆弧组成的三角形，此外轮胎采用质地软的材料，这样可以尽可能大的增大与地面的接触面积，从而达到增大摩擦的

效果。其次，车轮外圈布满凸出的橡胶颗粒，可以更好的增大摩擦。

图6：整体效果图

图7：变形构造图

三．步态规划

我们在六足的机器人的基础上使其采用四足步态行走，并将足改为轮型，在硬地上用轮型足进行运动，当遇到软地时，将变形为足型进行行走，其足型步态规划参照于六足昆虫的四足态行走。步态设计是实现步行的关键之一, 为达到较为理想的步行,考虑下列要求: ( 步行平稳、协调,进退自如, 无左右摇晃及前后冲击; ) 机体和关节间没有较大的冲击。

六足昆虫在进行四足步态行走时，任一时刻保证有4条腿处于支撑相，而且是每一侧分别有两条腿处于支撑相，另外一条腿处于摆动相。假定六条腿中，左边三条腿按顺序分别为

L l 、L 2 、L 3，右边三条腿按顺序分别为R 1 、R 2 、R 3。典型四足步态的一个运动周期分为三个阶段，每阶段所有腿的组合状态有所差异，分别是：

一、当Rl 、R 2、L l 、L 3处于支撑相时，R3、L 2处于摆动相；

二、当R1、R 3、L 2、L 3处于支撑相时，R2、Ll处于摆动相；

三、当R2、R 3、L 1、L 2处于支撑相时R1、L 3处于摆动相。

如此交替实现六足昆虫的直行前进。一般情况下仿生六足昆虫机器人是从离散着地点多自由度的腿的结构，采用典型的四足步态就能实现六足机器人的直行。以下是整体图：

其步态示意图如下：

四：发展展望

1.目前足部设计虽然实现了部分仿生，但脚趾和脚跟的长度和弧度的大小、脚趾的

个数以及怎样实现足弓的功能还需要进一步的研究。

2、柔性铰链设计对不规则路面有较强适应性，但若想实现自然的行走方式“脚跟着地一脚

尖离地”还有段差距

3、仿人机器人在行走时，脚趾与脚跟偏转角度对行走稳定性的影响，如何行走最有利和所

受地面的反作用力最小，有待进一步的研究。

4、传感系统的改进问题。理想的步行机器人，应该能够根据不同的环境，自动进行步态规

划。因此机器人的内部也需要安装多种传感器，如：力传感器、陀螺仪来收集信息进行精确控制。

五．参考文献

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【5】[9]Delcomyn F,Nelson M E.Architectures for biomimetric hespod robot[J].Robotics and Autonomous Systems,2000,30:5-15.