小型仿人機(jī)器人的設(shè)計(jì)及步態(tài)規(guī)劃

1 引言
機(jī)器人是一門(mén)綜合性很強(qiáng)的學(xué)科，有著極其廣泛的研究和應(yīng)用領(lǐng)域。機(jī)器人技術(shù)是綜合計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息融合技術(shù)、機(jī)構(gòu)學(xué)、傳感技術(shù)、仿生科學(xué)以及人工智能等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，它不僅涉及到線性、非線性、基于多種傳感器信息控制以及實(shí)時(shí)控制技術(shù)，而且還包括復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的建模、數(shù)字仿真技術(shù)及混合系統(tǒng)的控制研究等方面的技術(shù)。
仿人形機(jī)器人是機(jī)器人技術(shù)中的一個(gè)重要研究課題，而雙足機(jī)器人是仿人形機(jī)器人研究的前奏。步行技術(shù)是人與大多數(shù)動(dòng)物所具有的移動(dòng)方式，是一種高度自動(dòng)化的運(yùn)動(dòng)，雙足步行系統(tǒng)具有非常復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)特性，具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。相對(duì)輪式、履帶式機(jī)器人，它具有無(wú)可比擬的優(yōu)越性，可進(jìn)入狹窄的作業(yè)空間，也可跨越障礙、上下臺(tái)階、斜坡及在不平整的地面上工作，以及護(hù)理老人、康復(fù)醫(yī)學(xué)和一般家庭的家政服務(wù)。另一方面，由于雙足機(jī)器人具有多關(guān)節(jié)、多驅(qū)動(dòng)器和多傳感器的特點(diǎn)，而且一般都具有冗余的自由度，這些特點(diǎn)對(duì)其控制問(wèn)題帶來(lái)很大難度，為各種控制和優(yōu)化方法提供理想的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，使其成為一個(gè)令人矚目的研究方向，因此對(duì)雙足步行機(jī)器人行走規(guī)劃?rùn)C(jī)器控制的研究不僅具有很高的學(xué)術(shù)價(jià)值，而且具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。
以小型雙足機(jī)器人的設(shè)計(jì)為重點(diǎn)，介紹一款小型雙足機(jī)器人的設(shè)計(jì)，包括自由度配置，動(dòng)力源核材料選擇，并針對(duì)所設(shè)計(jì)的機(jī)器人進(jìn)行靜態(tài)步行規(guī)劃。

2 小型雙足機(jī)器人本體設(shè)計(jì)
作為一種雙足機(jī)器人研究平臺(tái)，要求所設(shè)計(jì)的機(jī)器人能夠滿足研究者對(duì)雙足機(jī)器人的基本要求，即機(jī)器人具備穩(wěn)定行走的能力，為研究雙足機(jī)器人的行走方法步態(tài)規(guī)劃提供平臺(tái)。圖1為所設(shè)計(jì)的雙足機(jī)器人的平面圖。機(jī)器人共有18個(gè)自由度，頭部的前方和左右兩側(cè)都裝有超聲波傳感器，用來(lái)檢測(cè)障礙物，頭頂裝有聲敏傳感器，用來(lái)檢測(cè)聲音。

2．1 機(jī)器人自由度配置
鄭元芳博士從仿生學(xué)的角度研究仿人機(jī)器人腿部自由度配置。得出關(guān)節(jié)扭矩最小條件下的兩足步行結(jié)構(gòu)自由度配置方案。他認(rèn)為髖部和踝部各設(shè)置2個(gè)自由度，可改變行走方向，踝關(guān)節(jié)處再增加一個(gè)回轉(zhuǎn)自由度，使得腳板在不規(guī)則的表面落地；膝關(guān)節(jié)設(shè)置 1個(gè)自由度，方便上下臺(tái)階。則每條腿要設(shè)置7個(gè)自由度。