仿生轮足结合机器人结题报告 - 图文

仿生轮足结合机器人研究

摘要：

当前世界各国对机器人的研发都特别重视，因为一款高级的机器人可极大的解放人类的劳动力，并对国民经济发展和国家综合国力的提高产生不可估量的影响。四足仿生机器人通过对哺乳动物行动方式的模仿，实现了克服复杂地形，稳定、高效的行走，但由于现有驱动方式的局限，其在较平路面还是存在一定速度缺陷。本小组设想将轮与足式结合，实现更加广泛的适应性。在这一设想指导下，我们在小腿内内置了轮，需要时，机器人便能放下轮前行。但是，这样的结构也有很多问题，比如小腿结构过于复杂，不宜进行动画仿真，机器人轮行时整体重心偏高，不太稳定等。制作过程中，我们针对这些问题进行了讨论和优化，最终做出了大家都比较满意的作品。

关键词：机器人；轮足结合；仿生

一．项目研究的背景及意义

1.机器人研究现状

美国的MIT Leg Lab实验室早在1986年研制完成了一款四足机器人。美国的四足机的典型代表是卡耐基美隆大学的Boston dynamics实验室研制的BigDog（图1）和LittleDog（图2）。 BigDog是最像仿生对象的仿生机器人，外形和体特比例很像一头凶猛的猎犬，负载52KG的重量能够在粗糙的瓦砾地面或泥泞地面以不同步态自如行走，野外行走能力很强。最大的特点是具有较强的机体平衡能力，在剧烈的侧面冲击作用下，能保持平衡而不倒。在卡耐基.梅隆大学 2006.11.3 的机器人学术报告会上，Martin Buehler(Director of Robotics Boston Dynamics)称，已列入计划将BigDog的四足机器人深入研究，使其性能达到能走、跑、平衡、爬行等动态移动、运载货物、识别粗糙地形能力、自主控制能力等方面达到一个新的水平。

国内起步较晚，但发展较快。清华大学﹑上海交通大学、哈尔滨工业大学等对机器人的研究贡献较为突出。在对现有地面移动机器人结构形式及特点分析的基础上，哈尔滨工业大学提出了一种轮足式四足机器人概念模型HIT-HYBTOR（图3），机器人由四个独立驱动的轮代替了四个足构成具有3个自由度的轮腿机构，其中髋关节具有2个自由度，膝关节具有1个自由度，可以根据环境需求在轮式机器人和足式移动之间切换。该模型结合轮式机器人和足式机器人的优点，根据不同的环境变换轮式运动和足式运动两种运动方式，期望达到良好的运动灵活性和较高的移动速度的统一。

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图1-DigDog 图2-LittleDog 图3-HIT-HYBTOR

2.发展趋势

可以看出，四足仿生机器人确实有其他种类机器人无法比拟的优势，它适应性强，稳定性高，是研究的热点之一。而仿生程度的高低，直接决定了机器人的性能。以现有的仿生技术，只能对其行走方式，步态规划等做初步的仿生。现下，对仿骨及仿肌肉组织的研究正在进行，一旦应用于实践，机器人将不再局限于传统的低效、缓慢的驱动方式，在效率，速度方面有较大的突破。但是现在要解决速度问题，无疑采用轮足结合更为现实，所以在将来一段时间内，轮足结合技术会发展的更加成熟。更远的将来，仿生技术达到一个新的高度后，轮足结合或许会淡出我们的视线，取而代之的是更加栩栩如生的仿生机器人。

总的来说，更高程度的仿生必将成为研究的热点，不论从控制、驱动方式还是材料上。而现阶段轮足结合机器人也有较大的发展需要。

3.研究意义

本小组通过改变机器人的行走方式及控制方式，克服运动缓慢以及难以控制的缺点，使其具有较高的灵活性，能够适应不同的环境。它可以充分发挥轮足结合的特点，以最快的速度到达指定地点，完成各种指定任务，从而在各种搜救抢险工作中发挥作用。

虽然国内外已有较为成熟的设计方案，本次研究在增进对机器人了解，熟悉各类制图软件方面还是有极大的意义。而最终的结果也证实了这一点。

二．研究内容与研究方法

本次研究的主要内容有： 1.轮腿结合的设计； 2.机器人的整体结构； 3.机器人的步态规划。

研究的主要流程为：提出设想——讨论确定——软件绘图——优化修改。从前期到后期，讨论和修改一直存在。各方面各个部件，最终确定下来时和最初有很大差别。

三．课题研究的结果

1.腿部结构

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轮腿结合式机器人难点之一是其腿部结构，所以研究的重点之一便是如何实现轮与腿的结合。我们先后设想过三种轮腿结合方式。受所阅资料影响，轮最开始被设想成与足是同一装置（图4），后来又将轮置于中腿上（图5），最终才确定将轮置于下腿上（图6）。

图4-前期图 图5-中期图 图6-最终图

第一种方式结构最简单，看似控制也很容易，但是在用轮行走时如何将轮固定住是个难题，而且这样的结构在实际应用中肯定会有容易磨损，不耐久的问题。 因此，我们第一时间就排除了这一想法。

第二种结构可行性稍强，小组当初在该结构基础上绘制完成了机器人整体模型，并在中期检查时提交。但后来经过仔细思考，这种结构只能在三维模型中存在。因为要让腿着地，小腿至少需要向后旋转90度，加上前进时小腿向前迈的角度，控制该小腿的舵机旋转角度须达到120度或更多，但是实际上舵机可旋转角度通常只有90度，所以后期设计中并未采用这一结构。

第三种，也就是最终采用的方式，具有较好的可控性和可操作性，在实际中较容易实现，因此，最终应用了这种结构。但是，这种结构也远远没有达到完美的地步，如小腿过于复杂笨重，足行震动较大时内部零件易损坏等。针对这些问题，我们的解决办法是主体采用质轻而坚固的材料如镁铝合金制作，触地部分采用有弹性的材料。

2.机器人的整体结构

机器人的最终整体效果如图7、图8：

图7-侧面图 图8-整体效果

机器人的头部有一些感应器，用以探知前方路况，决定用轮行还是足行，或者转弯避障，颈部可以上下旋转，做抬头、点头等简单动作；躯干内部有大量空间，用以装载电池，单片机等；机器人每条腿上有3个自由度，四条腿共有12

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个自由度，可以灵活的完成行走，行进中转向等基本动作；动力分配上面四条腿是一致的，而轮只有前面两轮有动力，这样更易于控制。（舵机，线路等图中未画出）

2.机器人的步态规划

参照哺乳动物的运动方式，机器人足行时对角线上的两腿同时抬起迈进，交替进行完成前进。转弯时内侧腿小幅移动，外侧腿大幅迈步以实现转向。在较平坦的路面上，机器人调整腿部姿态，放下轮来前进，中腿与下腿连接处关节保持不动，由肩部关节来控制方向。

四．本次研究的创新点

本次研究的创新点主要在于将仿生技术和成熟的轮行装置结合在了一起，使机器人兼具高度的适应性和良好的效率及速度。而在小腿内部放置轮，也是足以让其在众多轮足机器人中与众不同的设计。头部和腿部多自由度的组合，给了机器人极大的活动自由，可以完成各种较复杂的动作。轮的驱动采用前驱设计，很大程度上减小了控制难度。

五．对研究项目的总结

从去年十一月立项到现在六月底结题，对这个项目研究已近七个月了。从当时尚不知作图软件为何物，到现在已能利用其做一些动画，我们确实在不知不觉中，学到了一些重要的技能。其实，本次研究中，令我们获益更多的是它对团队意识、创新意识的要求，还有其间养成的研究方法。

年前，我们只对机器人有了初步设想；寒假期间及刚返校时，我们集中学习了solidworks的作图方法，然后绘制了一些简单的零件，在那时，中期答辩迫在眉睫，我们深感准备不足，仓促应战的尴尬；中期后，我们马上着手学习Inventor并绘制零件，学习动画等，后来对机器人的一些细节进行优化，终于有了差强人意的作品。看来，凡事提前准备，才可有备无患，从容应对。

回顾整个研究过程，虽然在上面所费甚多，但从中所得，亦足以让自己欢欣鼓舞了。语云：一分耕耘，一分收获，用在科技创新中，也很是得当啊！

参考文献：

【1】郭丽峰，陈恳，赵旦谱 等，一种轮腿式变结构移动机器人研究【J】. 制造业自动化，2009，31（30）：1-6

【2】徐轶群，万隆君，四足步行机器人稳定性步态分析【J】. 制造业自动化，

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2001，23（8）：5-16

【3】刘陈芳，宋少云，仿生机器人的研究综述【J】. 武汉工业学院学报，2010（4）：25-29

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/2d62.html