基于Autocad和Pro-E的双足竞步机器人结构设计及轨迹跟踪研究

李素云

（贺州学院，广西 贺州 542899）

引言

2017年8月，我国中科院颁布《“智能机器人”重点专项2017年度项目专项申报指南》，该文件对新一代智能机器人、工业智能机器人、服务智能机器人、特种智能机器人的发展方向，做了明确指示.同时还指出，我国科技部下一步将按照基础前沿技术类、共性技术类、关键技术与装备类和示范应用类四个层次，投资6亿元，启动42个机器人发展项目.以期到2020年我国实现工业机器人密度由70上升至150.这一政策支持下，有利于我国机器人技术实现突破，形成具有国际竞争力的行业龙头企业.双足竞步机器人是目前我国机器人研究领域，较为前沿性的研究项目，集电子学、计算机科学、力学等多门学科为一体，主要应用于机器人教学和比赛中.但是，根据目前双足竞步机器人的研究成果来看，双足竞步机器人的操作和使用范围，仅限于行走、翻跟头等基础性工作，如此一来机器人并不具备轨迹跟踪的能力，因此往往会偏离机器人行走的路线，达不到预期的效果.因此，文章结合动力学和运动学理论，利用Autocad和Pro-E绘图软件对机器人的关节结构进行三维的设计，并进行轨迹跟踪规划[1].

1 双足竞步机器人自由度配置

自由度配置是双足竞步机器人结构设计的基础工作，根据人体工学原理，通过观察人体腿部组织结构，可知人体腿部的髋关节呈球形状，此处的自由度配置最高，具备三个自由度配置点，可以使腿部完成前、后、内、外四个方向的旋转.其次是膝关节，这一组织结构是衔接腿部上部分和下部分的重要关节，具备一个自由度配置点，可以使腿部完成前后两个方向的转动.其次是踝关节，这是人体重量的承重点，该组织具备2个自由度配置点，可以使腿部实现左右方向的翻转和竖直方向的旋转.因此，要实现双足竞步机器人的灵活度与人体灵活度高度接近，需要给双足竞步机器人配置12个自由配置点，分别均匀的分布在双足竞步机器人两条腿部结构上，其中每条腿部的自由配置点为，膝关节1个、髋关节3个、踝关节2个[2].

2 基于Autocad和Pro-E的双足竞步机器人结构设计

根据双足竞步机器人自由度配置点的分析结果，将双足竞步机器人的结构设计分为髋部平台结构构、脚部结构、各关节连接结构设计三个部分.并分别利用Autocad和Pro-E绘图软件对机器人三维的设计[3].

2.1 双足竞步机器人髋部平台结构设计

髋部平台结构是机器人功能的集中承载点，通过Autocad和Pro-E绘图软件的精准计算，将髋部平台的的长度设置为113mm，宽度为68mm.其次在双足竞步机器人髋部平台上，设计19个衔接端口，其中其中15个端口用于连接机器人（如图2所示）.

双腿、控制模块、U型件，剩余4个端口用于机器人功能的扩展设计步骤具体为：

第一步：将机器人的腿部与髋部平台结构衔接，利用Autocad软件，计算双腿之间的间距，保障双腿关于机器人纵向、横向对称.

第二步：将双足竞步机器人的电源和控制系统，嵌入髋部平台.

第三步：双足竞步机器人髋部平台与机器人的功能扩展机构相连接.

图1 双足竞步机器人髋部平台结构设计图

2.2 双足竞步机器人脚部结构设计

Autocad和Pro-E绘图软件的三维规划，将双足竞步机器人脚部的长度设计为90mm，宽度设计为60mm，除此之外，在双足竞步机器人脚部设置上两个40mm，宽20mm，高10mm的矩形的镂空体，减轻双足竞步机器人脚部结构的重量.最后，在脚板上设置4个关于机器人中心面对称的链接端口，其目的一为连接传感器，二为降低脚部机构的重量[4].

2.3 双足竞步机器人连接器的机构设计

为保障双足竞步机器人使用过程中的灵活度，需要通过配置4种连接件，衔接双足竞步机器人的各个主组织结构.分别为适配连接件、两种不同尺寸的U型连接件、轴套连接件.首先，适配连接件用于双足竞步机器人舵机与髋部平台、脚板、U型连接件连接.轴套连接件用于连接双足竞步机器人U型连接件与舵机相连的轴承连接.大尺寸的U型连接件用于连接双足竞步机器人的髋关节组织结构、膝关节组织结构、踝关节组织结构.最后用最小的U型连接件，用于固定双足竞步机器人的髋关节组织结构[5].

2.4 组装

双足竞步机器人的组装具体分为四个部分，具体表现为:

第一步：将双足竞步机器人的六只舵机与机器人舵机自带的轴承、花键相链接，将轴承连接器与双足竞步机器人的轴承相连接.再通过大尺寸U型连接器与双足竞步机器人适配连接器衔接.通过已连接好的双足竞步机器人花键和轴承套，用大尺寸U型连接件与双足竞步机器人衔接.

图2 舵机与U型件连接

第二步：通过适配连接器将双足竞步机器人的一只脚板，与一只舵机相连，连接后，将双足竞步机器人与舵机相连U型连接器调整到与舵机垂直的位置，再通过适配连接块，将下一只舵机与踝关节U型连接器相连，得到机器人的膝关节.再依照双足竞步机器人膝关节的组装方法，得到双足竞步机器人的髋关节，即机器人的一条腿[6].

图3 机器人单腿

第三步：将组装好的双足竞步机器人的两条腿部结构与小型U型连接器相连.

第四步：将双足竞步机器人的两条腿部组织，通过小型U型连接器，与双足竞步机器人的髋部平台连接，然后在脚板上安装控制传感器，最终构成双足竞步机器人的整体图[7].

图4 机器人总装配

3 双足竞步机器人轨迹跟踪研究

文章利用Mat和Simulink模块，进行双足竞步机器人轨迹跟踪仿真研究，.轨迹图如下所示：

图5 直线运动摆动腿踝关节位置轨迹

图6 直线运动髋关节位置轨迹

图7 直线运动ZMP的轨迹

根据观察双足竞步机器人髋关节组织结构、踝关节组织结构X项和Z项运动轨迹来看，两者的运动变化轨迹相同，且双足竞步机器人直线运动ZPM的轨迹处于0.6-1.0之间，Matlab中Simulink模块数据显示，以双足竞步机器人的脚踝关节处为定点，以双足竞步机器人的脚掌边缘线和后边缘线的距离为变化量，通过计算变化量的结果得出，lα的正常范围是0.6＜lα＜1.所以，双足竞步机器人的直线运动ZMP的轨迹只要处于0.6-1.0之间，说明双足竞步机器人的轨步处于稳定状态.通过上述双足竞步机器人的轨迹跟踪仿真实验研究，得出该双足竞步机器人的轨迹规划处于合理状态，可以作为双足竞步机器人轨迹跟踪的期望轨迹.

4 双足竞步机器人轨迹控制方法研究

从双足竞步机器人的结构设计过程得出，双足竞步机器人具备多自由度和灵活性的特点.我们无法获取双足竞步机器人详细的数学模型，因此，在双足竞步机器人轨迹控制过程中，人们往往会忽略这类无法量化的因素，基于这一弊端，文章结合上述双足竞步机器人的组织结构和双足竞步机器人轨步跟踪数据，提出双足竞步机器人轨迹控制方法.

4.1 PID控制法

PID控制法是一种操作较为简单的双足竞步机器人轨迹控制方法，在无法准确确定双足竞步机器人数字的模型的情况下，通过工程控制和数学物理方面的微积分比例，对双足竞步机器人进行闭环控制，再通过双足竞步机器人的负反馈信息，进行双足竞步机器人轨迹控制.

4.2 鲁棒控制

双足竞步机器人在建模过程中，会存在一定的误差，鲁棒控制法有利于改善这一弊端.用鲁棒控制所设计的双足竞步机器人控制器参数，不可随意改动.如此一来，会降低机器人的自由度，提升了双足竞步机器人的控制精度.

4.3 神经网络控制法

神经网络控制法主要应用于复杂结构、机理不明的机器人系统上，应用神经网络已能对任意形式的连续函数按任意精度进行逼近，能够得出准确的双足竞步机器人的数字模型，有利于精确双足竞步机器人轨迹控制.

结语

综上所述，要实现双足竞步机器人的灵活度与人体灵活度高度接近，需要给双足竞步机器人配置与人体腿部相同的12个自由度配置点.基于Autocad和Pro-E平台三维设计，将双足竞步机器人组装完成后，通过Mat和Simulink模块进行双足竞步机器人轨迹跟踪，最后，通过PID控制法、鲁棒控制、神经网络控制法三个方面，提出双足竞步机器人轨迹控制方法规划.