引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是工業(yè)自動(dòng)化水平的大大提高，機(jī)器人的應(yīng)用越來越廣泛，現(xiàn)已大量用于汽車、冶金、機(jī)械、輕工、建材等工業(yè)企業(yè)，而可編程控制器（PLC）作為現(xiàn)代工業(yè)控制的三大支柱之一，具有功能豐富，使用方便、工作可靠、經(jīng)濟(jì)合算的特點(diǎn)，已日益成為控制裝置家族中的重要角色。

步行機(jī)器人是模仿動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)形式，采用腿式結(jié)構(gòu)來完成多種移動(dòng)功能的一類特種機(jī)器人。參照工業(yè)機(jī)器人的標(biāo)準(zhǔn)定義，可以把步行機(jī)器人理解為“一種由計(jì)算機(jī)控制的用足機(jī)構(gòu)推進(jìn)的地面移動(dòng)裝置”以區(qū)別于行走式機(jī)械玩具及固定行走模式的機(jī)械裝置。通常足數(shù)多于或等于四的步行機(jī)器人稱為多足步行機(jī)器人，該類機(jī)器人能夠在不平的路面上穩(wěn)定地行走，可以取代輪式車完成在一些復(fù)雜環(huán)境中的運(yùn)輸作業(yè)，因此多足步行機(jī)器人在軍事運(yùn)輸及探測(cè)、礦山開采、水下建筑、核工業(yè)、星球探測(cè)、農(nóng)業(yè)及森林采伐、教育、藝術(shù)及娛樂等許多行業(yè)有著非常廣闊的應(yīng)用前景。

長(zhǎng)期以來，步行機(jī)器人技術(shù)一直是國(guó)內(nèi)外機(jī)器人領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。為了索多足步行機(jī)器人技術(shù)的研究前沿，給我國(guó)多足步行機(jī)器人工程實(shí)用化開發(fā)提供關(guān)鍵技術(shù)的支持，開展多足步行機(jī)器人相關(guān)理論和技術(shù)的研究具有十分重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。在高技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)下，針對(duì)多功能的應(yīng)用情況和復(fù)雜的工作環(huán)境，對(duì)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和研究應(yīng)該更加深入和全面，只有在良好的機(jī)械平臺(tái)上，結(jié)合合理、有效地控制策略，才能更好的規(guī)劃?rùn)C(jī)器人的步行，體現(xiàn)其作為足式機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)。

1多足步行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)自由度的分析

步行機(jī)器人的機(jī)械部分是機(jī)器人所有控制及運(yùn)動(dòng)的載體，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)直接決定了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，其性能的好壞也直接決定了功能可行性。多足步行機(jī)器人的機(jī)構(gòu)系統(tǒng)主要包括機(jī)器人腿部件的布局、腿部件的結(jié)構(gòu)形式、腿的數(shù)量等，而其中腿部件的結(jié)構(gòu)形式是多足步行機(jī)器人機(jī)構(gòu)的重要組成部分，是機(jī)械設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一。因此，從某種意義上說，對(duì)多足步行機(jī)器人機(jī)構(gòu)的分析主要集中在對(duì)其腿機(jī)構(gòu)的分析。一般地，從機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求看，腿機(jī)構(gòu)不能過于復(fù)雜，桿件過多的腿機(jī)構(gòu)形式會(huì)引起結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)的實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生困難。因此對(duì)多足步行機(jī)器人腿機(jī)構(gòu)的基本要求可以歸納為：

（1）實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的要求；

（2）承載能力的要求；

（3）結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)和方便控制的要求。

本設(shè)計(jì)采用“3+3”多足步行機(jī)器人。

自由度表示了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)靈活的程度。自由度越多，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)越靈活，能夠完成多功能的可能性就越大。多足步行機(jī)器人站立時(shí)和地面組成了一個(gè)空間閉環(huán)機(jī)構(gòu)，該空間機(jī)構(gòu)是一系列構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副連接而成的。

根據(jù)空間自由度理論，若在三維空間中有n個(gè)完全不受約束的物體，并且任選其中的一個(gè)為固定參照物，因每個(gè)物體相對(duì)參照物都有6個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，則n個(gè)物體相對(duì)參照物共有6(n-1)個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，若在所有的物體之間用運(yùn)動(dòng)副聯(lián)接起來，設(shè)第i個(gè)運(yùn)動(dòng)副的約束為ui，如果所有n個(gè)物體之間的運(yùn)動(dòng)副數(shù)目為g，這時(shí)的運(yùn)動(dòng)自由度應(yīng)減去所有的約束數(shù)的總和，機(jī)構(gòu)的自由度為：

其中M表示自由度。一般情況下，式中的ui可以用代替，fi為第i個(gè)運(yùn)動(dòng)副的相對(duì)自由度數(shù)。則得到KutzbachGrubler公式：

一般地，多足步行機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)靈活的行走動(dòng)作，其腿機(jī)構(gòu)至少必須有兩個(gè)自由度，即前后的擺動(dòng)和上下的抬放運(yùn)動(dòng)。構(gòu)成兩個(gè)自由度地方法可以都采用回轉(zhuǎn)副，或是采用一個(gè)回轉(zhuǎn)副和一個(gè)可伸縮的移動(dòng)副，還有就是采用兩個(gè)移動(dòng)副，將前后的擺動(dòng)變?yōu)榍昂蠡啤Ｄ壳?，這種兩自由度的腿機(jī)構(gòu)多足機(jī)器人的研究中以有了較多的應(yīng)用，但是想利用腿的轉(zhuǎn)動(dòng)改變前進(jìn)方向，或是在原地旋轉(zhuǎn)，那腿部機(jī)構(gòu)就至少三個(gè)自由度，即在兩自由度腿上加一個(gè)水平旋轉(zhuǎn)自由度，如圖1所示。

圖1三自由度腿結(jié)構(gòu)示意圖

2六足步行機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃

多足機(jī)器人要體現(xiàn)良好的地面適應(yīng)能力和行走靈活性，需要規(guī)劃合理、有效的行走步態(tài)。步態(tài)不僅是指步行機(jī)器人各條腿抬腿、放腿的順序，還包括機(jī)器人占空系數(shù)分析、足端軌跡的選擇等。一般是模仿動(dòng)物的行走姿態(tài)來研究機(jī)器人的步態(tài)。如有n條腿在步行時(shí)，每條腿各自離地和接地不同時(shí)發(fā)生，按生成順序所組成的個(gè)數(shù)為：

本文以自主研制的“3＋3”多足步行機(jī)器人為對(duì)象，研究多種步態(tài)生成算法，避免了死鎖現(xiàn)象，并能保證機(jī)器人步行的連續(xù)性和全方位性。

3六足步行機(jī)器人占空系數(shù)分析

占空系數(shù)就是指腿i支撐在地面上的時(shí)間占整個(gè)周期的比例。

以本文六足機(jī)器人“3＋3”行走步態(tài)為例來說明。該種步態(tài)是將機(jī)器人的六條腿分為兩組，如：以腿1、3、5為A組，腿2、4、6為B組，步行過程兩組腿交替的擺起、放下。其占空系數(shù)β取值有三種情況：

(1)β>0.5，在組A和組B交替擺起和著地的過程中，有過渡階段，此時(shí)機(jī)器人六條腿同時(shí)著地，這種情況下，步行機(jī)器人穩(wěn)定性更高，但行走速度就相對(duì)降低

(2)β=0.5，在組A擺動(dòng)著地的同時(shí)，組B立即擺起，步行時(shí)交替循環(huán)，保證在任意時(shí)刻都有三條腿支撐地面，三條腿擺起；

(3)β<0.5，這種情況下，存在組A和組B同時(shí)擺動(dòng)的時(shí)刻，即機(jī)器人騰空這要求機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)有很好的彈性和吸振性。

本文所設(shè)計(jì)機(jī)器人占孔比大于0.5，犧牲了一定速度以保證運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，而且在足端步安裝了效果明顯的緩沖裝置，同時(shí)吸收足部著地震動(dòng)，為高速運(yùn)動(dòng)提供了穩(wěn)定性保證。

4機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中的受力情況可能會(huì)根據(jù)路面情況不斷變化，因而電機(jī)的負(fù)載也在不停的變化，所以要實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行元件（腿）的行程的準(zhǔn)確控制不能單純依靠對(duì)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間進(jìn)行限定，必須要在執(zhí)行元件上安裝反饋位置的傳感器，這樣，當(dāng)執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)到規(guī)定的位置時(shí)就能通過控制系統(tǒng)給電機(jī)一個(gè)反饋信號(hào)，從實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。

六條腿中135，246分別是相同的，所以進(jìn)行控制設(shè)計(jì)時(shí)只需以12兩腿的配合為例說明即可，35腿與1腿相同，46腿與2腿相同。

（1）第1腿的傳感器：

在上下擺動(dòng)的極限位置安裝行程開關(guān)，上極限B1，下極限A1。在前后擺動(dòng)的極限位置和中點(diǎn)位置安裝行程開關(guān)，前極限Z1，后極限X1，中點(diǎn)位置O1。

（2）第2腿的傳感器：

在上下擺動(dòng)的極限位置安裝行程開關(guān)，上極限B2，下極限A2。在前后擺動(dòng)的極限位置和中點(diǎn)位置安裝行程開關(guān)，前極限Z2，后極限X2，中點(diǎn)位置O2。

5控制時(shí)序設(shè)計(jì)

兩腿的動(dòng)作時(shí)序如下：

1、按下啟動(dòng)按鈕SB1；

2、1,2向后擺動(dòng)，分別到X1，X2；

3、1不動(dòng)，2向上擺動(dòng)到B2；

4、2向前擺動(dòng)到Z2；

5、2向下擺動(dòng)到A2；

6、1向上擺動(dòng)到B1；

7、2向后擺動(dòng)到X2，同時(shí)1向前擺動(dòng)到Z1；

8、1向下擺動(dòng)到A1；

9、2向上擺動(dòng)到B2；

10、1向后擺動(dòng)到X1，同時(shí)2向前擺動(dòng)到Z2；

11、2向下擺動(dòng)到A2；

12、1向上擺動(dòng)到B1；

13、2向后擺動(dòng)到O2并最終停止，同時(shí)1向前擺動(dòng)到Z1；

14、1向后擺動(dòng)到O1；

15、1向下擺動(dòng)到A1并最終停止。

6結(jié)論

本文針對(duì)自行設(shè)計(jì)的步行仿生機(jī)器人，分析了其運(yùn)動(dòng)特征，研究學(xué)習(xí)了機(jī)器人步態(tài)生成及步態(tài)控制中所涉及的理論知識(shí)和相關(guān)技術(shù)。綜合分析了目前多足機(jī)器人的步行機(jī)構(gòu)，理解所研制的六足步行機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。分析了六足步行機(jī)器人的占空系數(shù)和機(jī)器人靜態(tài)步行的穩(wěn)定性判定方法。分析了直線行走步態(tài)腿的協(xié)調(diào)時(shí)序，編制了機(jī)器人直線行走步態(tài)控制的PLC梯形圖。