1、仿生輪足結合機器人研究摘要：當前世界各國對機器人的研發(fā)都特別重視，因為一款高級的機器人可極大的解放人類的 勞動力，并對國民經濟發(fā)展和國家綜合國力的提高產生不可估量的影響。四足仿生機器人通 過對哺乳動物行動方式的模仿，實現(xiàn)了克服復雜地形，穩(wěn)定、高效的行走，但由于現(xiàn)有驅動 方式的局限，其在較平路面還是存在一定速度缺陷。本小組設想將輪與足式結合，實現(xiàn)更加 廣泛的適應性。在這一設想指導下，我們在小腿內內置了輪，需要時，機器人便能放下輪前 行。但是，這樣的結構也有很多問題，比如小腿結構過于復雜，不宜進行動畫仿真，機器人 輪行時整體重心偏高，不太穩(wěn)定等。制作過程中，我們針對這些問題進行了討論和優(yōu)化，最 終

2、做出了大家都比較滿意的作品。關鍵詞：機器人；輪足結合；仿生一.項目研究的背景及意義機器人研究現(xiàn)狀美國的MIT Leg Lab實驗室早在1986年研制完成了一款四足機器人。美國 的四足機的典型代表是卡耐基美隆大學的Boston dynamics實驗室研制的BigDog （圖。和LittleDog （圖2）。BigDog是最像仿生對象的仿生機器人，外形和體 特比例很像一頭兇猛的獵犬，負載52KG的重量能夠在粗糙的瓦礫地面或泥濘地 面以不同步態(tài)自如行走，野外行走能力很強。最大的特點是具有較強的機體平衡 能力，在劇烈的側面沖擊作用下，能保持平衡而不倒。在卡耐基.梅隆大學2006.11.3 的機器人學術

3、報告會上，Martin Buehler（Director of Robotics Boston Dynamics）稱，已列入計劃將BigDog的四足機器人深入研究，使其性能達到能走、 跑、平衡、爬行等動態(tài)移動、運載貨物、識別粗糙地形能力、自主控制能力等方 面達到一個新的水平。國內起步較晚，但發(fā)展較快。清華大學、上海交通大學、哈爾濱工業(yè)大學等 對機器人的研究貢獻較為突出。在對現(xiàn)有地面移動機器人結構形式及特點分析的 基礎上，哈爾濱工業(yè)大學提出了一種輪足式四足機器人概念模型HIT-HYBTOR （圖3），機器人由四個獨立驅動的輪代替了四個足構成具有3個自由度的輪腿機 構，其中髖關節(jié)具有2個自由度，膝

4、關節(jié)具有1個自由度，可以根據(jù)環(huán)境需求在 輪式機器人和足式移動之間切換。該模型結合輪式機器人和足式機器人的優(yōu)點， 根據(jù)不同的環(huán)境變換輪式運動和足式運動兩種運動方式，期望達到良好的運動靈 活性和較高的移動速度的統(tǒng)一。圖 1-DigDog圖 2-LittleDog圖 3-HIT-HYBTOR發(fā)展趨勢可以看出，四足仿生機器人確實有其他種類機器人無法比擬的優(yōu)勢，它適應 性強，穩(wěn)定性高，是研究的熱點之一。而仿生程度的高低，直接決定了機器人的 性能。以現(xiàn)有的仿生技術，只能對其行走方式，步態(tài)規(guī)劃等做初步的仿生。現(xiàn)下， 對仿骨及仿肌肉組織的研究正在進行，一旦應用于實踐，機器人將不再局限于傳 統(tǒng)的低效、緩慢的驅動

5、方式，在效率，速度方面有較大的突破。但是現(xiàn)在要解決 速度問題，無疑采用輪足結合更為現(xiàn)實，所以在將來一段時間內，輪足結合技術 會發(fā)展的更加成熟。更遠的將來，仿生技術達到一個新的高度后，輪足結合或許 會淡出我們的視線，取而代之的是更加栩栩如生的仿生機器人?？偟膩碚f，更高程度的仿生必將成為研究的熱點，不論從控制、驅動方式還 是材料上。而現(xiàn)階段輪足結合機器人也有較大的發(fā)展需要。研究意義本小組通過改變機器人的行走方式及控制方式，克服運動緩慢以及難以控制 的缺點，使其具有較高的靈活性，能夠適應不同的環(huán)境。它可以充分發(fā)揮輪足結 合的特點，以最快的速度到達指定地點，完成各種指定任務，從而在各種搜救搶 險工作中

6、發(fā)揮作用。雖然國內外已有較為成熟的設計方案，本次研究在增進對機器人了解，熟悉 各類制圖軟件方面還是有極大的意義。而最終的結果也證實了這一點。二研究內容與研究方法本次研究的主要內容有：輪腿結合的設計；機器人的整體結構；機器人的步態(tài)規(guī)劃。研究的主要流程為：提出設想討論確定一一軟件繪圖優(yōu)化修改。從 前期到后期，討論和修改一直存在。各方面各個部件，最終確定下來時和最初有 很大差別。課題研究的結果腿部結構輪腿結合式機器人難點之一是其腿部結構，所以研究的重點之一便是如何實 現(xiàn)輪與腿的結合。我們先后設想過三種輪腿結合方式。受所閱資料影響，輪最開 始被設想成與足是同一裝置（圖4），后來又將輪置于中腿上（圖5）

7、，最終才確定 將輪置于下腿上（圖6）。圖5-中期圖圖6-最終圖第一種方式結構最簡單，看似控制也很容易，但是在用輪行走時如何將輪固 定住是個難題，而且這樣的結構在實際應用中肯定會有容易磨損，不耐久的問題。 因此，我們第一時間就排除了這一想法。第二種結構可行性稍強，小組當初在該結構基礎上繪制完成了機器人整體模 型，并在中期檢查時提交。但后來經過仔細思考，這種結構只能在三維模型中存 在。因為要讓腿著地，小腿至少需要向后旋轉90度，加上前進時小腿向前邁的 角度，控制該小腿的舵機旋轉角度須達到120度或更多，但是實際上舵機可旋轉 角度通常只有90度，所以后期設計中并未采用這一結構。第三種，也就是最終采用

8、的方式，具有較好的可控性和可操作性，在實際中 較容易實現(xiàn)，因此，最終應用了這種結構。但是，這種結構也遠遠沒有達到完美 的地步，如小腿過于復雜笨重，足行震動較大時內部零件易損壞等。針對這些問 題，我們的解決辦法是主體采用質輕而堅固的材料如鎂鋁合金制作，觸地部分采 用有彈性的材料。機器人的整體結構機器人的最終整體效果如圖7、圖8：圖7-側面圖圖8-整體效果機器人的頭部有一些感應器，用以探知前方路況，決定用輪行還是足行，或 者轉彎避障，頸部可以上下旋轉，做抬頭、點頭等簡單動作；軀干內部有大量空 間，用以裝載電池，單片機等；機器人每條腿上有3個自由度，四條腿共有12 個自由度，可以靈活的完成行走，行進

9、中轉向等基本動作；動力分配上面四條腿 是一致的，而輪只有前面兩輪有動力，這樣更易于控制。（舵機，線路等圖中未 畫出）機器人的步態(tài)規(guī)劃參照哺乳動物的運動方式，機器人足行時對角線上的兩腿同時抬起邁進，交 替進行完成前進。轉彎時內側腿小幅移動，外側腿大幅邁步以實現(xiàn)轉向。在較平 坦的路面上，機器人調整腿部姿態(tài)，放下輪來前進，中腿與下腿連接處關節(jié)保持 不動，由肩部關節(jié)來控制方向。本次研究的創(chuàng)新點本次研究的創(chuàng)新點主要在于將仿生技術和成熟的輪行裝置結合在了一起，使 機器人兼具高度的適應性和良好的效率及速度。而在小腿內部放置輪，也是足以 讓其在眾多輪足機器人中與眾不同的設計。頭部和腿部多自由度的組合，給了機

10、器人極大的活動自由，可以完成各種較復雜的動作。輪的驅動采用前驅設計，很 大程度上減小了控制難度。對研究項目的總結從去年十一月立項到現(xiàn)在六月底結題，對這個項目研究已近七個月了。從當 時尚不知作圖軟件為何物，到現(xiàn)在已能利用其做一些動畫，我們確實在不知不覺 中，學到了一些重要的技能。其實，本次研究中，令我們獲益更多的是它對團隊 意識、創(chuàng)新意識的要求，還有其間養(yǎng)成的研究方法。年前，我們只對機器人有了初步設想；寒假期間及剛返校時，我們集中學習 了 solidworks的作圖方法，然后繪制了一些簡單的零件，在那時，中期答辯迫在 眉睫，我們深感準備不足，倉促應戰(zhàn)的尷尬；中期后，我們馬上著手學習Inventor 并繪制零件，學習動畫等，后來對機器人的一些細節(jié)進行優(yōu)化，終于有了差強人 意的作品。看來，凡事提前準備，才可有備無患，從容應對?；仡櫿麄€研究過程，雖然在上面所費甚多，但從中所得，亦足以讓自己歡欣 鼓舞了。語云：一分耕耘，一分收獲，用在科技創(chuàng)新中，也很是得當啊