基于并联机械腿的六足机器人分析与设计

叶俊++吴宏熊++叶晓伟

摘 要

本文在简要介绍了并联机械腿与六足机器人的基础上，对机器人整体及机械腿构型进行了分析，并重点阐述了基于并联机械腿的六足机器人的整体设计问题，希望能够为有关人员提供参考。

【关键词】并联机械腿 六足机器人 设计

六足机器人是机器人中的一种主要类型，传统六足机器人机械腿的设计往往采用串联的形式来完成，由此导致的机器人或体型过于单薄或行动不够灵活的问题对设计水平的提高造成了严重阻碍，基于并联机械腿的六足机器人的设计能够有效解决这一问题。1 六足机器人与并联机械腿

六足机器人是多组机器人中的一种，是以仿生学为基础所设计的机器人形式，主要仿照蜘蛛的爬行方式所设计。传统的履带式机器人在崎岖不平的路面行走时，很容易受到路面状况的影响而出现行走不流畅的问题，六足机器人的出现使得这一问题得到了很好的解决，就目前的情况看，六足机器人的设计已经成为了机器人领域的重点。

并联机械腿是相对于串联机械腿的一大概念，是多足机器人机械腿设计的一种主要方法，相对于传统的以串联为主的机械腿设计形式而言，有研究认为，并联机械腿在平衡性方面更好，同时也能够达到行动更加灵活的效果。

2 机器人整体及机械腿构型分析

2.1 机器人整体构型

六足机器人仿照六足动物而设计，根据对六足动物腿部结构的观察发现，一般存在两种结构，第一种结构中，六条腿的自由度数量以及类型均相同，各条腿之间呈现复制关系；第二种结构中，六条腿的结构对称相同。本文中六足机器人的整体设计采用第一种构型方式。六足动物腿与躯干的连接点在躯干的布局形式主要包括两种，一种为轴对称布局，另一种为面对称布局。其中，第一种情况下，六条腿均匀分布在躯干的各个方向，而第二种情况下，六条腿在分布在躯干的左右两侧。根据对力学理论等的考虑，决定将六足机器人的整体构型选择为轴对称的方式。

2.2 机械腿整体构型

六足机器人足的形式包括两种：一种与地面之前采用点接触的方式；第二种与地面之间采用面接触的方式。两种方式所遵循的力学原理不同，同时对于机械腿的要求也不尽相同。根据对力学等方面的数据的计算与分析，将机械腿的整体构型确定为了2-UPS+UP的形式。

3 基于并联机械腿的六足机器人的整体设计

3.1 基于（U+UPS）P+UPS机构的六足机器人设计

基于（U+UPS）P+UPS机构的六足机器人的设计，其机械腿采用了轴对称的布局方式，在这一布局方式的基础上，六足机器人的每一条腿在躯干中都呈均匀分布，以此为基础，完成了机器人的设计。

机器人主要包括7个组成部分，分别为控制计算机、躯干、伺服电机驱动器、机械腿连接器、机械腿、球面副与足。

（1）控制计算机，功能在于实现对机器人行为的全面控制；

（2）躯干，是机器人的主要组成部分；

（3）伺服电机驱动器，功能在于实现对六条腿的驱动，以使机器人能够实现行走；

（4）机械腿连接器，功能在于将躯干、驱动器以及计算机控制器三者与机械腿连接起来，以为上述三者对机械腿的共同控制成为可能。

（5）机械腿，功能在于在1、2、3的控制下，实现行走；

（6）球面副；

（7）表足。将6与7连接的目的在于使足能够贴近地面，以保证机器人行走的稳定性。

3.2 基于2-UPS+UP机构的六足机器人试验样机研制

在2-UPS+UP机构的基础上，通过对六足机器人各项参数的计算，最终研制出了具体的试验样机，其构成情况如图1。

在试验样机中，1代表躯干组件，组件中包括与躯干有关的众多部件。2代表控制系统，即以计算机技术为基础的，实现对机器人行走以及行为方式的控制的核心系统，是机器人行走实现的主要保证。3代表机械腿连接架，功能在于将机械腿与核心部件以及躯干相连接。4代表驱动通信组件；5、6、7分别代表机械腿、弹簧球面副和足。

通过将上述设计效果应用与实践发现，该机器人在真正构建完成之后，其结构十分紧凑，因此不会出现串联机械腿中六足机器人体型过于庞大的问题，实践证明，及时在狭小的空间内，该机器人也能够灵活行动。通过以并联机械腿代替串联机械腿的方法，使得该机械人的承载能力得到了极大程度的提高，通过实践发现，其承载力能够得到150kg的标准。

由于机器人的核心控制系统处于躯干顶部，因此即使在穿越沼泽以及其他路况较差的区域时，其核心控制系统也不会被破坏，这对于机器人性能的保证具有极大的价值。通过蓝牙通信的方式，工作人员还能够利用平板电脑等设备，对机械人进行自由的控制。

4 结论

相对于传统的串联机械腿而言，并联机械腿具有行动灵活且承载力强的特点，以此为基础所设计的六足机器人，性能更加完善，因此，有必要将并联机械腿应用到六足机器人的设计过程中。需要注意的是，为保证设计效果，必须提高各项参数计算的准确性，这样才能使机器人各部分结构功能得以正常发挥，同时能够保证机器人各部分功能得到综合，这对于其功能的实现十分重要。

参考文献

[1]荣誉，金振林，崔冰艳.六足农业机器人并联腿构型分析与结构参数设计[J].农业工程学报，2012（15）：9-14.

[2]荣誉，金振林.3-DOF并联机械腿动力学建模与伺服电机峰值预估[J].光学精密工程，2012（09）：1974-1983.

[3]荣誉，刘双勇，韩勇，林峰，李凯.六足制孔机器人三自由度并联机械腿的误差模型及验证[J].农业工程学报，2016（15）：18-25.

作者单位

1.武汉职业技术学院 湖北省武汉市 430074

2.国网浙江省电力公司丽水供电公司 浙江省丽水市 323000