[一种步行机器人的机械机构设计研究] 步行机器人的行走机构多为

　　摘 要:文章以一种步行机器人机械机构的设计研究为背景,对步行机器人的机构设计问题进行了探讨分析。该步行机器人由单相电机进行驱动,采用齿轮传达机构和步行机构使其实现稳定的静态步行。通过对该机器人的仿真研究,结果表明该步行机器人能够实现设计时所期望的运动轨迹。
　　关键词:步行机器人 机械机构 设计 仿真
　　中图分类号:TP24 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)06(a)-0041-01
　　步行机器人的研究对理论和实践具有重要的理论价值和现实意义。它不仅可以丰富机器人研究的相关理论。还可以推动人工智能技术、仿生学、计算机图形学、通信技术等相关学科的发展。随着机器人逐渐被运用到越来越多的领域中,机器人的工作环境发生了变化,工作任务进一步复杂化,这就对机器人性能提出了更高的要求。由于步行机器人具有体积小、对环境的适应性强、能耗小、避障碍能力强,移动盲区小等特征和优点,因而它具有广泛的实际运用领域,也吸引人们的普遍关注。
　　由于该机器人的设计要求实现步行和身体摆动等较为复杂的运动,设计的结构也相对较为复杂,对设计尺寸也有相关对严格的规定,同时还要求采用单电机进行驱动。为了满足这些要求,文章设计了一种结构紧凑、易于控制的机械机构。
　　1 传动机构设计
　　由于是步行机械机构的设计,因而双足行走的驱动机构需要作重复的非完整圆周旋转运动。而传达机构的作用就是将电机的连续旋转运动转变为重复的非完整圆周旋转运动。一般情况下,为了实现这一转化,我们在设计中可以采用曲柄摇杆机构。一般来说,中间构件会比较长,这使得传递的线路也会比较长,容易产生误差。而线路长又会积累误差,这样一来,在传递过程中比较容易产生较大的误差积累。与此同时,机构运动经过中间构件进行传递还会增加能耗,降低机械的使用效率。除了会出现这些问题之外,死点的存在也会在很大程度上限制连杆机构的运用。
　　鉴于曲柄摇杆机构存在的缺陷,在这种步行机器人的机械机构的设计中,我们考虑采用齿轮传动。齿轮传动是机械传动中比较常用的一种方式,它具有其它传动不可比拟的特点和优势,比如传动结构紧凑、传递比较稳定、传动工作可靠、传动效率高、传动装置使用寿命长等。在一般的锥齿轮传动中,从动齿轮只能随着主动锥齿轮做旋转运动。如果我们延长主动锥齿轮的轴,在从动锥齿轮的另一边再安装第二个锥齿轮和从动锥齿轮齿合。由于在旋转方向上,第二个和第一个的旋转方向相反,所以该机构就自动被锁住了,无法运行。
　　在设计工作的实际中,如果我们只运用第一个主动锥齿轮的一半齿,去掉另一半齿,同时还去掉两个主动锥齿轮被削齿对面的一半,通过这样对齿轮的设计和调整,去掉一部分齿轮,就能够将电机的连续旋转运动转变为重复的非完整圆周旋转运动。
　　2 步行机构设计
　　如图1所示,秆d所指的是大腿,杆e所指的是小腿,杆f所示的是脚板。在秆a和杆f之间采取相应的措施,使得他们之间相对固定。轮b所指的是驱动轮,并且,它的驱动杆是杆a。通过一点相应的连接措施,使杆a铰接在轮c上。这样的结构方式使得杆a的运动形式为平动,这是由轮b和轮C所确定的。在实际运动中,首先由杆a和杆f一起作平动,与此同时,他们的平动会同时带动杆e进行运动,而杆e进行运动又会带动杆d进行运动。这样一来,看似杆d、e、f一起在作步行运动,而事实上是轮b、轮C和杆a在发挥着作用,杆d和杆e并不发挥主动的作用,他们只是作为从动件在整个机构设计中发挥作用。在这个步行机构设计中,只要作为脚板f的面积足够大,能够承受住杆件的重量和运动时带来的压力,使得地面上的投影始终不超越支撑多边形的范围,这样一来,该机械机构就可以实现双足步行,而不需要步行稳定控制器的的支持就可以(如图1)。
　　3 步行机器人仿真研究
　　为了验证该步行机器人机械机构设计的效果,我们进行了仿真研究。通过详细的设计机构参数,我们的得出了具体的单腿运动参数。这些运动参数是以下一个情况。由1位置开始运动,杆a从这里顺时针旋转10°便到达2位置,与此同时,杆b由1位置逆时针旋转至2位置;杆a反向逆时针旋转40°至3位置,与此同时,杆b继续逆时针旋转40°至3位置;杆a继续逆时针旋转10°至4位置,与此同时,杆b反向顺时针旋转10°至4位置;杆a反向顺时针旋转40°返回1位置,与此同时,杆b继续顺时针返回1位置,通过这样的旋转运动从而使一个步行周期得以完成。
　　4 结语
　　科学技术的进步必将推动机器人设计的进一步发展和进步。随着整个社会对机器人要求的进一步提高,机器人的功能将进一步增强。而机械机构设计在机器人的设计中占有重要的地位和作用,直接影响机器人整体功能的发挥。文章主要探讨分析了一种步行机器人的机械机构的设计问题,这种机器人便于控制,采用单相电机进行驱动,运用齿轮传达机构和步行机构使其实现稳定的静态步行。通过对该机器人的仿真研究,结果表明该步行机器人能够实现设计时所期望的运动轨迹。总的来说,该机器人的机械机构的设计是正确的,结构紧凑,传动效率高,因此,在实践中,值得推广和应用该种机器人的机械机构设计方案。
　　参考文献
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