引言

隨著社會經(jīng)濟和科學技術的迅速發(fā)展，特別是工業(yè)自動化水平的大大提高，機器人的應用越來越廣泛，現(xiàn)已大量用于汽車、冶金、機械、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)濟合算的特點，已日益成為控制裝置家族中的重要角色。

步行機器人是模仿動物的運動形式，采用腿式結(jié)構來完成多種移動功能的一類特種機器人。參照工業(yè)機器人的標準定義，可以把步行機器人理解為“一種由計算機控制的用足機構推進的地面移動裝置”以區(qū)別于行走式機械玩具及固定行走模式的機械裝置。通常足數(shù)多于或等于四的步行機器人稱為多足步行機器人，該類機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雜環(huán)境中的運輸作業(yè)，因此多足步行機器人在軍事運輸及探測、礦山開采、水下建筑、核工業(yè)、星球探測、農(nóng)業(yè)及森林采伐、教育、藝術及娛樂等許多行業(yè)有著非常廣闊的應用前景。

長期以來，步行機器人技術一直是國內(nèi)外機器人領域研究的熱點之一。為了索多足步行機器人技術的研究前沿，給我國多足步行機器人工程實用化開發(fā)提供關鍵技術的支持，開展多足步行機器人相關理論和技術的研究具有十分重要的科學意義和應用價值。在高技術發(fā)展的推動下，針對多功能的應用情況和復雜的工作環(huán)境，對機器人機械結(jié)構的設計和研究應該更加深入和全面，只有在良好的機械平臺上，結(jié)合合理、有效地控制策略，才能更好的規(guī)劃機器人的步行，體現(xiàn)其作為足式機器人的優(yōu)點和特點。

1多足步行機器人運動自由度的分析

步行機器人的機械部分是機器人所有控制及運動的載體，其結(jié)構特點直接決定了機器人的運動學特征，其性能的好壞也直接決定了功能可行性。多足步行機器人的機構系統(tǒng)主要包括機器人腿部件的布局、腿部件的結(jié)構形式、腿的數(shù)量等，而其中腿部件的結(jié)構形式是多足步行機器人機構的重要組成部分，是機械設計的關鍵之一。因此，從某種意義上說，對多足步行機器人機構的分析主要集中在對其腿機構的分析。一般地，從機器人結(jié)構設計要求看，腿機構不能過于復雜，桿件過多的腿機構形式會引起結(jié)構和傳動的實現(xiàn)產(chǎn)生困難。因此對多足步行機器人腿機構的基本要求可以歸納為：

（1）實現(xiàn)運動的要求；

（2）承載能力的要求；

（3）結(jié)構實現(xiàn)和方便控制的要求。

本設計采用“3+3”多足步行機器人。

自由度表示了機器人運動靈活的程度。自由度越多，機器人運動越靈活，能夠完成多功能的可能性就越大。多足步行機器人站立時和地面組成了一個空間閉環(huán)機構，該空間機構是一系列構件和運動副連接而成的。

根據(jù)空間自由度理論，若在三維空間中有n個完全不受約束的物體，并且任選其中的一個為固定參照物，因每個物體相對參照物都有6個運動自由度，則n個物體相對參照物共有6(n-1)個運動自由度，若在所有的物體之間用運動副聯(lián)接起來，設第i個運動副的約束為ui，如果所有n個物體之間的運動副數(shù)目為g，這時的運動自由度應減去所有的約束數(shù)的總和，機構的自由度為：

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個運動副的相對自由度數(shù)。則得到KutzbachGrubler公式：

一般地，多足步行機器人能實現(xiàn)靈活的行走動作，其腿機構至少必須有兩個自由度，即前后的擺動和上下的抬放運動。構成兩個自由度地方法可以都采用回轉(zhuǎn)副，或是采用一個回轉(zhuǎn)副和一個可伸縮的移動副，還有就是采用兩個移動副，將前后的擺動變?yōu)榍昂蠡?。目前，這種兩自由度的腿機構多足機器人的研究中以有了較多的應用，但是想利用腿的轉(zhuǎn)動改變前進方向，或是在原地旋轉(zhuǎn)，那腿部機構就至少三個自由度，即在兩自由度腿上加一個水平旋轉(zhuǎn)自由度，如圖1所示。

圖1三自由度腿結(jié)構示意圖

2六足步行機器人步態(tài)規(guī)劃

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

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

3六足步行機器人占空系數(shù)分析

占空系數(shù)就是指腿i支撐在地面上的時間占整個周期的比例。

以本文六足機器人“3＋3”行走步態(tài)為例來說明。該種步態(tài)是將機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，此時機器人六條腿同時著地，這種情況下，步行機器人穩(wěn)定性更高，但行走速度就相對降低

(2)β=0.5，在組A擺動著地的同時，組B立即擺起，步行時交替循環(huán)，保證在任意時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同時擺動的時刻，即機器人騰空這要求機器人的機械結(jié)構有很好的彈性和吸振性。

本文所設計機器人占孔比大于0.5，犧牲了一定速度以保證運動平穩(wěn)，而且在足端步安裝了效果明顯的緩沖裝置，同時吸收足部著地震動，為高速運動提供了穩(wěn)定性保證。

4機器人的控制系統(tǒng)設計

機器人運動過程中的受力情況可能會根據(jù)路面情況不斷變化，因而電機的負載也在不停的變化，所以要實現(xiàn)對執(zhí)行元件（腿）的行程的準確控制不能單純依靠對電機的運轉(zhuǎn)時間進行限定，必須要在執(zhí)行元件上安裝反饋位置的傳感器，這樣，當執(zhí)行元件運動到規(guī)定的位置時就能通過控制系統(tǒng)給電機一個反饋信號，從實現(xiàn)對電機的控制。

六條腿中135，246分別是相同的，所以進行控制設計時只需以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：

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

（2）第2腿的傳感器：

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

5控制時序設計

兩腿的動作時序如下：

1、按下啟動按鈕SB1；

2、1,2向后擺動，分別到X1，X2；

3、1不動，2向上擺動到B2；

4、2向前擺動到Z2；

5、2向下擺動到A2；

6、1向上擺動到B1；

7、2向后擺動到X2，同時1向前擺動到Z1；

8、1向下擺動到A1；

9、2向上擺動到B2；

10、1向后擺動到X1，同時2向前擺動到Z2；

11、2向下擺動到A2；

12、1向上擺動到B1；

13、2向后擺動到O2并最終停止，同時1向前擺動到Z1；

14、1向后擺動到O1；

15、1向下擺動到A1并最終停止。

6結(jié)論

本文針對自行設計的步行仿生機器人，分析了其運動特征，研究學習了機器人步態(tài)生成及步態(tài)控制中所涉及的理論知識和相關技術。綜合分析了目前多足機器人的步行機構，理解所研制的六足步行機器人的結(jié)構特點，并進行運動學分析。分析了六足步行機器人的占空系數(shù)和機器人靜態(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)時序，編制了機器人直線行走步態(tài)控制的PLC梯形圖。