单曲轴六足直立式机器人的设计①

张久雷

(罗定职业技术学院，广东 罗定527200)

0 引 言

行走装置作为机器人的重要基础，吸引了很多科学工作者进行研究和应用［1］. 很多六足机器人的步行腿结构是仿生昆虫类动物腿部结构，六肢弯曲且向外展开、外展趴卧，体型较大;本文设计开发的六足机器人的步行腿结构是仿生四肢哺乳动物腿部结构，内收直立且六肢位于躯体下方. 比起横向张开的昆虫式腿部结构，垂直方向的承载力有所增强且机构更紧凑. 但是，目前很少有成功控制这种腿结构的实例，其主要原因是直立地腿部大大增加了控制的复杂程度［2］.

1 总体方案设计

六足机器人大多采用仿昆虫行走步态，即采用三角形步态行走方式［3］. 本机器人六足腿部结构虽然是仿哺乳动物直立式腿部结构，但行走的运动方式仍然采用三角形步态设计原理，即六足以相间隔的3 条步行腿连线组成的三角形分为两组，当一组中的3 条步行腿着地支撑躯体时，另外一组中的3 条步行腿抬腿迈步，两组步行腿交替运动实现机体向前运动.单曲轴六足直立式机器人的结构原理图如图1 所示.

中间传动轴的两端有相互错开180°的曲柄.两个曲柄直接与中间步行腿连接成转动副，曲柄带动中间步行腿进行上下、前后摆动. 两个曲柄的弯曲方向错开180°安装设计，可以使两侧中间步行腿的摆动方向错开，即当一侧中间步行腿向上、向前摆动时，另一侧中间步行腿就向下、向后摆动.前腿或后腿通过一连杆与曲柄连接，使前腿或后腿进行前后摆动;且同侧前腿和后腿通过一连杆连接，实现同侧前腿和后腿的前后摆动步调一致.把电源电流方向反接或把电机接入、接出线对调，则可以实现机器人前腿变后腿运动，可以实现机器人的前进或后退步行运动.

图1 单曲轴六足直立式机器人机构原理图

2 结构设计

2.1 步态规划

本机器人的行走机构由6 条步行腿构成，行走运动时按三角形步态分两组，躯体同侧前、后步行腿与另一侧中间步行腿为一组;当一组步行腿开始进入支撑躯体状态时，另外一组步行腿同时离地腾空向前摆动，躯体向前运动，当此组步行腿进入支撑躯体时，前一组步行腿也开始同时离地腾空向前摆动，躯体向前运动;两组步行腿交替运动，不断推动机器人向前步行运动.两组步行腿的协调运动要通过安装在中间传动轴两端相差180°的曲柄连杆机构来实现，前进行走时的步态规划如图2 所示.

2，4，6 号步行腿着地开始支撑机体时，如图2a所示，1，3，5 号步行腿开始离地腾空;2，4，6 号步行腿进入支撑机体阶段时，其中2 号步行腿一边随曲柄绕中间轴转动，一边把机体向上撑起抬高，2，4，6号步行腿同时向后摆动，向后蹬踏地面使机体向前运动;与此同时，1，3，5 号步行腿离地在空中完成向后摆动，再向前摆动，等1，3，5 号步行腿向前摆动至开始着地支撑机体时，进入如图2b 所示状态，2，4，6 号步行腿开始进入离地腾空阶段;1，3，5 号步行腿进入支撑机体阶段时，5 号步行腿把机体向上撑起抬高的同时，1，3，5 号步行腿同时向后摆动，向后蹬踏地面使机体向前运动;两组步行腿如此交替运动便可实现机体前进步行运动.

图2 步态规划图

2.2 传动机构设计

传动机构是用一个长为75mm、宽为42mm 的长方形铜线作框架，由直径为1mm 的铜线制作成1 个传动轴、2 个曲柄、4 条连杆组成. 整个六足机器人的步行运动由一个微型直流电机带动，经过2个塑料齿轮的减速传动使中间传动轴转动，进而带动传动轴两端的曲柄摇杆机构运动，进而实现步行腿的协调摆动运动.其中直接与曲柄铰接的中间步行腿在曲柄带动下进行上下、左右摆动，后腿通过与曲柄铰接的连杆带动进行前后摆动，前腿通过与后腿铰接的连杆带动也进行前后摆动，且与后腿摆动步调一致，如图3 所示传动机构原理图.

2.3 曲柄摇杆和曲柄滑块机构设计

本六足直立式机器人通过曲柄摇杆机构和摇杆滑块机构将电机输出的旋转运动转换成步行腿的上下、前后往复运动，从而实现本机器人的三角形步态行走运动.曲轴摇杆机构和曲柄滑块机构主要由1 条传动轴、2 个曲柄、4 条连杆和6 条步行腿组成，如图4 所示.6 条步行腿是用铜线设计制作出类似哺乳动物直立式腿部结构的大腿、小腿;其中前、后步行腿的大小腿之间的活动关节铰接位置固定安装在长方形框架上;中间步行腿的大小腿之间的活动关节铰接位置固定安装在曲柄上，其大腿是由长方形矩形框设计制作，且与中间横放的固定杆铰接成滑块机构，使中间步行腿按一定的有序规律运动.

图3 传动机构原理图

图4 曲柄连杆滑块机构

传动轴横向安装在机器人躯体框架中间，其中间段套有传动齿轮，与电机输出轴上的齿轮配合安装，起传递动力作用.传动轴两端点有2 个曲柄，长度约为5mm，且此2 个曲柄弯曲方向相差180°设计.2 个曲柄分别与两侧的中间步行腿连接成曲柄滑块机构，带动中间步行腿进行上下、前后摆动;2个曲柄的弯曲方向错开180°安装设计，可以使两侧中间步行腿的摆动方向错开，即当一侧中间步行腿向上、向前摆动时，另一侧中间步行腿就向下、向后摆动.后腿的大腿上顶端通过一连杆与曲柄连接成曲柄连杆机构，当连杆的一端随曲柄转动时，连杆另一端连接的后腿绕着其关节铰接点进行前后摆动.前腿的大腿上顶端通过一连杆与后腿的大腿上顶端连接成同步连杆机构，即当后腿前后摆动时，前腿也随之相同的前后摆动，步调一致.

此种曲柄连杆机构和曲柄滑块机构的设计不仅可以使机器人两侧对应步行腿摆动方向相反，也可以使机器人同侧中间腿和前后腿的摆动方向错开，即前后腿着地支撑躯体时，中间步行腿悬空向后、再向上摆动;当中间步行腿开始着地支撑躯体时，前后腿悬空进行向后再前摆动，再到着地支撑躯体，如此与中间步行腿反复交替实现机器人不断向前行走.在电机、传动轴带动下，由曲柄滑块机构和曲柄连杆机构组成的步行腿交替往复运动，从而实现六足机器人的行走步态.

3 机器人样机制作

3.1 电机和电池的选择

由于本六足直立式机器人各步行腿的动作协调运作控制是由曲柄摇杆机构和曲柄滑块机构来控制实现.因此，本机器人只需要一个动力源控制曲柄所在的传动轴就可以实现整个机器人6 条步行腿之间确定的协调运动.用一个微型直流电机经塑料齿轮系减速增大扭矩后，连续匀速地带动中间传动轴转动，进而带动传动轴两端的曲柄连续匀速转动，进而驱动曲柄摇杆机构和曲柄滑块机构协调运动使机器人匀速向前步行运动.

该机器人所选用的微型电机使用电压在:DC3V ～6V 范围内，输出速度40 ～90rpm，空载电流:50mA.微型直流电机输出动力通过齿轮系减速增大扭矩传递给转动轴曲柄进行旋转运动，从而实现中间步行腿上下、前后摆动运动，曲柄旋转动力再由连杆带动后腿和前腿实现前后摆动运动.

选用锂电池作为微型直流电机动力电源，所选锂电池电压为3.7V，重量为13g，经过多次设计制作和可行性试验，基本确定以上微型电机和电池型号.其动力能够保证机器人正常行走前进、匀速运动.此锂电池和微型电机安置在躯体中间，使其重心与机器人躯体框架中心重合，保证机器人机体平衡，避免因安装位置问题使机器人倾斜或步行时摔倒、侧翻等情况出现.

3.2 控制电路原理

机器人步行运动的控制电路是由1 个直流电机，一个3.7V 电源，一个单向开关组成.当开关按下后，电路接通、电机正转，机器人前行运动.当把电源电流方向反接或把电机接入、接出线对调，则可以实现电机反转，机器人变成后退运动;该机器人控制电路原理简单，容易接线制作、便于操作.

3.3 机器人样机制作

机器人的整个机体框架结构、曲轴曲柄、连杆摇杆机构、滑块机构以及直立式步行腿均采用铜线设计制作. 该机器人长约为75mm，宽约为42mm，高约为50mm，重约33g. 微型直流电机、电池安置于机体中间，电机输出轴端配合安装2 个模数为0.5、齿数为12 和18 个的塑料齿轮.传动轴横放在机器人机体中间，并与减速齿轮系配合安装，其两端点设计安装曲柄，与连杆、步行腿组成曲柄摇杆机构和步行滑块机构，共同组装成整体六足机器人.单曲轴六足直立式机器人样机如图5 所示.

图5 单曲轴六足直立式机器人

4 机器人行走试验

单曲轴六足直立式机器人在水泥地、瓷砖上、地板砖上、石板上、办公桌上、沙发上进行行走验证试验，结果表明在以上路面上均可实现三角步态的行走运动，且速度适中，步行速度约0.052m/s;左右摇摆，动感十足，娱乐功能较强.在斜坡上、土路面上、草坪上进行行走验证试验，结果表明在以上非水平路面上也可以实现三角步态的行走运动，虽然步行前行速度慢点，但仍可实现前行三角步态行走运动.

行走试验表明，本设计的单曲轴六足直立式机器人可以实现六足三角步态行走功能.但行走试验结果也表明，随着行走时间和距离的加长，机器人行走出现了走偏现象，没有按照预想的直线进行长时间、长距离的步行行走，而是有些走偏.究其原因是本六足机器人是大概尺寸手工制作，在加工精度、安装误差方面不能够保证，因此会出现走偏现象.

5 结 语

本文以铜线为制作原料，采取单电机、单曲轴驱动和曲柄摇杆机构为传动系统的方法，设计开发了一种六足直立式步行机器人. 行走试验结果表明，本设计制作的六足直立式机器人可以实现三角步态行走功能;其简单的机构设计原理和制作、操作过程还有益于益智开发，若对其外饰稍加包装便可制成各式娱乐玩具机器人，可应用于娱乐、玩具领域，具有一定的实际应用推广价值.

［1］ 陈佳琦，郑丁科，李志伟.水田防滑静液压六足步行机器的设计［J］.农机化研究.2006(10):116 -121.

［2］ 金波，胡厦，俞亚新. 新型六足爬行机器人设计［J］. 机电工程.2007，24(6):23 -36.

［3］ 董太金，干东英.六足步行机横爬步态和运动干涉问题的研究［J］.机器人.1989，3(1):40 -46.