機(jī)械陀螺儀式雙足機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)及優(yōu)化分析*

吳海青，何滿塘，張小強(qiáng)

（太原工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程系，太原 030008）

0 引言

隨著移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用場(chǎng)景從單一、結(jié)構(gòu)化的環(huán)境逐漸拓展到復(fù)雜、非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境，傳統(tǒng)的足式和輪式移動(dòng)機(jī)器人難以勝任復(fù)雜環(huán)境和復(fù)雜任務(wù)的需求[1]。輪腿式機(jī)器人兼顧了輪式機(jī)器人在平整路面上的快速平穩(wěn)移動(dòng)和腿式機(jī)器人在崎嶇路面上的高越障性等特點(diǎn)[2]，是一種自適應(yīng)能力強(qiáng)，適合于在復(fù)雜環(huán)境中作業(yè)的機(jī)器人，在許多未知危險(xiǎn)的場(chǎng)合中可以協(xié)助甚至代替人類完成作業(yè)[3]，具有廣泛的應(yīng)用前景。為提高機(jī)器人的地形適應(yīng)性，并吸取輪式與足式機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者開展了特殊結(jié)構(gòu)移動(dòng)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)方面的研究[4]。而雙足輪腿式機(jī)器人擁有機(jī)動(dòng)性高、場(chǎng)地適應(yīng)性強(qiáng)、能耗低以及運(yùn)動(dòng)噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，更受到了各行各業(yè)的青睞。國(guó)外典型的雙足輪腿混合結(jié)構(gòu)式機(jī)器人主要有美國(guó)波士頓公司研制的Handle機(jī)器人[5-7]和蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院研制的Ascento 機(jī)器人[8-9]等。國(guó)內(nèi)典型代表有：2019 年哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳校區(qū)研制的SR600 輪腿機(jī)器人[10]；2020 年南方科技大學(xué)HuaChen 等[11]研制的能實(shí)現(xiàn)跳躍的機(jī)器人NeZha；2021 年騰訊AILab 及RoboticsX 實(shí)驗(yàn)室研制的Ollie 機(jī)器人，哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制的機(jī)器人WLR，本末科技研制的刑天-Diablo 機(jī)器人，以及在Robomaster 比賽中，部分參賽隊(duì)伍設(shè)計(jì)的平衡步兵等。

本文提出一種新型輪腿混合式雙足機(jī)器人構(gòu)型，通過(guò)加裝機(jī)械陀螺儀可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的平衡以及抬腿動(dòng)作，具有占用空間小、靈活性強(qiáng)以及可在復(fù)雜路況下行走等優(yōu)點(diǎn)，能夠應(yīng)用于物流運(yùn)輸、外賣快遞、軍用地面探測(cè)以及醫(yī)療等領(lǐng)域。

1 輪腿式雙足機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì)

1.1 三維結(jié)構(gòu)模型

所研究的輪腿式雙足機(jī)器人三維模型如圖1 所示。該機(jī)器人由身體、腿部結(jié)構(gòu)以及控制系統(tǒng)等組成，腿部采用“鶴式”四桿機(jī)構(gòu)，每條腿部機(jī)構(gòu)由大腿、小腿、連桿、腳輪4 個(gè)部分組成，腿部舵機(jī)通過(guò)齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)大腿運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)整個(gè)腿部機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，足端電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)。在身體最上面放置機(jī)器人的控制系統(tǒng)，在主控固定板上安裝STM32 單片機(jī)、超聲波模塊、藍(lán)牙模塊、機(jī)械陀螺儀模塊等部件。在身體之間的固定板上安裝機(jī)械陀螺儀、電池、驅(qū)動(dòng)器等部件。

圖1 輪腿式雙足機(jī)器人三維模型

所設(shè)計(jì)的機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)在自身高度變化平衡后，身體保持在前后方向角度不變；控制2 個(gè)輪腿各自伸縮，可實(shí)現(xiàn)身體左右傾斜角度自由改變；利用機(jī)械陀螺儀的進(jìn)動(dòng)原理，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的抬腿動(dòng)作；在滿足強(qiáng)度與剛度前提下，對(duì)大腿及大腿齒輪、小腿和身體機(jī)架進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人整體質(zhì)量的減輕。

1.2 腿部機(jī)構(gòu)選型與尺寸設(shè)計(jì)

根據(jù)人體仿生學(xué)可知，人類腿部關(guān)節(jié)角度變化與連桿機(jī)構(gòu)相似，而能實(shí)現(xiàn)端點(diǎn)近似直線運(yùn)動(dòng)的四連桿機(jī)構(gòu)有曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、2-4-5 連桿直線機(jī)構(gòu)、鶴式起重機(jī)連桿機(jī)構(gòu)等，從便于加工與設(shè)計(jì)方面考慮，鶴式起重機(jī)連桿機(jī)構(gòu)更加符合人類的腿部結(jié)構(gòu)。

通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助圖解法進(jìn)行四連桿機(jī)構(gòu)各桿件長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)，四連桿機(jī)構(gòu)各桿件長(zhǎng)度的優(yōu)化是提高四連桿端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡線性度的關(guān)鍵[12]。

采用Creo7.0輔助建模繪制出腿部機(jī)構(gòu)極限位置的運(yùn)動(dòng)軌跡簡(jiǎn)圖，如圖2 所示。設(shè)輪軸與大腿轉(zhuǎn)動(dòng)軸在同一豎直方向上，為保證輪子電機(jī)有足夠的運(yùn)動(dòng)空間，設(shè)身體在最矮時(shí)，輪子與地面的接觸點(diǎn)到大腿轉(zhuǎn)動(dòng)軸軸線距離為60 mm，此時(shí)為確保擁有150 mm 的伸縮量，身體在最高處時(shí)，輪子與地面的接觸點(diǎn)到大腿轉(zhuǎn)動(dòng)軸軸線的距離為210 mm。此時(shí)，設(shè)大小腿長(zhǎng)相等且采用連桿與小腿共線。為確保腿的傳力性能，設(shè)身體在最高和最矮時(shí)的傳動(dòng)角均為50°，控制對(duì)應(yīng)桿長(zhǎng)度相同。根據(jù)模擬發(fā)現(xiàn)，機(jī)構(gòu)出現(xiàn)弱尺寸時(shí)，則推斷輪子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)與豎直軸線有a、b、c、d共4 個(gè)交點(diǎn)，將直線ac分成3 段，再次繪制出中間位置點(diǎn)（點(diǎn)d）的腿部機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡簡(jiǎn)圖如圖3所示，并得到大腿的預(yù)期尺寸在132.69 mm左右。

圖2 極限位置運(yùn)動(dòng)軌跡圖解分析

圖3 中間位置運(yùn)動(dòng)軌跡圖解分析

令大腿長(zhǎng)度為130 mm，并將直線ac等分3 段，設(shè)從動(dòng)桿尺寸為40 mm，再次繪制腿部機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡簡(jiǎn)圖，得出腿部機(jī)構(gòu)各構(gòu)件的尺寸如圖4 所示。繪制一個(gè)位置的簡(jiǎn)圖進(jìn)行尺寸陣列，如圖5 所示，得出輪足端的運(yùn)動(dòng)軌跡近似為一條直線，進(jìn)而確保機(jī)器人重心在輪軸線上方，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在自身高度變化平衡后，其身體保持在前后方向角度不變。

圖4 腿部機(jī)構(gòu)各構(gòu)件尺寸

圖5 某位置運(yùn)動(dòng)軌跡簡(jiǎn)圖尺寸陣列

采用上述參數(shù)，解得身體在最矮和最高時(shí)，傳動(dòng)角γmin1=47.85°＞40°（符合許用傳動(dòng)角），γmin2=53.07°＞40°（符合許用傳動(dòng)角），故該設(shè)計(jì)合理。

根據(jù)所得數(shù)據(jù)，采用Creo7.0自頂向下設(shè)計(jì)，繪制出腿部機(jī)構(gòu)的初始模型如圖6所示。

圖6 腿部機(jī)構(gòu)建模

1.3 腿部減速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

在電機(jī)選型過(guò)程中，選擇轉(zhuǎn)矩為2 N·m 的ZP20S 舵機(jī)為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)腿部機(jī)構(gòu)?？紤]到大腿輸入扭矩的需求，按1/4 減速比進(jìn)行腿部減速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。舵機(jī)齒輪采用標(biāo)準(zhǔn)化齒輪設(shè)計(jì)，齒數(shù)z1=17，模數(shù)m=1.5 mm。通過(guò)Creo7.0 測(cè)得舵機(jī)齒輪的齒根圓直徑為21.75 mm，可與舵盤直接配合連接。

大小齒輪嚙合如圖7 所示。大腿齒輪采用不完全齒輪設(shè)計(jì)，其有效嚙合角度為45°，兩側(cè)采用圓弧限位。齒輪重合度計(jì)算公式為：

圖7 大小齒輪嚙合

式中：z1為舵機(jī)齒輪齒數(shù)，取17；z2為大腿齒輪齒數(shù)，取68；α1為舵機(jī)齒輪齒頂圓壓力角，取35.75°；α2為大腿齒輪齒頂圓壓力角，取23.45°；α′為分度圓壓力角，取20°。

將數(shù)據(jù)代入式（1）中，解得重合度ε≈1.72 ＜2，則兩個(gè)齒輪在分度圓處嚙合時(shí)只有一對(duì)齒接觸，此時(shí)單對(duì)齒接觸受力F滿足：

式中：d1為舵機(jī)齒輪分度圓直徑，取25.5 mm；T為舵機(jī)扭矩，取2 N·m。

1.4 優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.4.1 大腿齒輪優(yōu)化

通過(guò)Creo7.0 對(duì)大腿齒輪的初始模型添加材料與載荷，材料選擇FR4 玻纖板，最小屈服極限為298 MPa，玻纖材料密度為1.9 g/cm3，通過(guò)軟件計(jì)算可得，大腿齒輪的初始模型質(zhì)量約為16.98 g。

利用Creo7.0對(duì)大腿齒輪的初始模型進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變求解，由于兩對(duì)齒輪組的重合度小于2，故可以簡(jiǎn)化為對(duì)每個(gè)齒分別進(jìn)行分析，即多工況分析，取每個(gè)工況載荷F=200 N，方向垂直齒面，固定約束一致。對(duì)比11 個(gè)載荷工況的分析結(jié)果，當(dāng)載荷作用在第一個(gè)齒面上時(shí)，應(yīng)力和應(yīng)變均最大，最大形變?yōu)?.032 8 mm，應(yīng)力值最大為77.49 MPa，小于屈服應(yīng)力298 MPa，第一個(gè)齒面的應(yīng)力和應(yīng)變分析結(jié)果如圖8所示。

圖8 第一個(gè)齒面的應(yīng)力應(yīng)變分析結(jié)果

然后對(duì)初始模型進(jìn)行創(chuàng)成式輕量化設(shè)計(jì)，采用剛度最大化設(shè)計(jì)，保留46.5%的材料，優(yōu)化后大腿齒輪模型如圖9 所示。然后進(jìn)行幾何重建，如圖10 所示。分辨率選擇高級(jí)分辨率，通過(guò)軟件可以算出優(yōu)化后大腿齒輪模型質(zhì)量約為7.6 g。

圖9 優(yōu)化后大腿齒輪模型

圖10 幾何重建

通過(guò)ANSYS Workbench對(duì)重建模型進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變驗(yàn)證分析，對(duì)比11個(gè)載荷工況的分析結(jié)果，當(dāng)載荷作用在第一個(gè)齒面上時(shí)，應(yīng)力和應(yīng)變均最大，最大形變?yōu)?.040 mm，應(yīng)力最大為83.12 MPa，小于屈服應(yīng)力298 MPa，優(yōu)化后第一個(gè)齒面的應(yīng)力和應(yīng)變分析結(jié)果如圖11所示。

圖11 優(yōu)化后第一個(gè)齒面的應(yīng)力應(yīng)變分析結(jié)果

通過(guò)創(chuàng)成式輕量化設(shè)計(jì)，在保證強(qiáng)度和剛度的前提下，大腿齒輪模型的質(zhì)量減少了53.5%。

1.4.2 大小腿與身體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

采用Creo 創(chuàng)成式優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，對(duì)小腿、大腿與身體進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。以剛度最大化為設(shè)計(jì)目標(biāo)，保留40%的材料進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后再利用ANSYS 對(duì)強(qiáng)度和剛度進(jìn)行驗(yàn)證分析。小腿、大腿與身體優(yōu)化前后對(duì)比如圖12 所示，在保證強(qiáng)度和剛度的前提下，小腿、大腿和身體的質(zhì)量均減輕了60%，而且均采用增材制造技術(shù)進(jìn)行加工，具有結(jié)構(gòu)剛度大、質(zhì)量輕、外形美觀等優(yōu)點(diǎn)。

圖12 優(yōu)化前后對(duì)比

1.5 機(jī)械陀螺儀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.5.1 機(jī)械陀螺儀工作原理

陀螺儀進(jìn)動(dòng)如圖13 所示。由角動(dòng)量定理可得，高速旋轉(zhuǎn)的陀螺儀一端架在支點(diǎn)上可以實(shí)現(xiàn)陀螺繞支點(diǎn)旋轉(zhuǎn)而不會(huì)掉下來(lái)，這個(gè)過(guò)程稱之為“進(jìn)動(dòng)”過(guò)程[13]。

圖13 陀螺儀進(jìn)動(dòng)示意

機(jī)械陀螺儀在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)可以通過(guò)一個(gè)支點(diǎn)“懸空”，利用這個(gè)原理可以使輪足機(jī)器人實(shí)現(xiàn)抬腿動(dòng)作。同時(shí)當(dāng)機(jī)器人在走直線路徑時(shí)，機(jī)械陀螺儀可以更好地限制自身做轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，從而保證身體穩(wěn)定，利用這一點(diǎn)可以給機(jī)器人裝載一些運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如機(jī)械臂、無(wú)人作戰(zhàn)器械等，以提高執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性與可靠性。

此外，機(jī)械陀螺儀的另一個(gè)作用是當(dāng)陀螺儀慣性飛輪在低速旋轉(zhuǎn)時(shí)，可以產(chǎn)生一個(gè)慣性扭矩，當(dāng)機(jī)器人產(chǎn)生一定傾角時(shí)，慣性飛輪會(huì)加速轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生與傾倒方向相反的力矩，該力矩會(huì)抵消機(jī)器人受重力或擾動(dòng)影響而產(chǎn)生的力矩，從而將機(jī)器人“扶正”，使其能夠快速回到平衡位置[14-16]。

1.5.2 機(jī)械陀螺儀設(shè)計(jì)

機(jī)械陀螺儀三維模型如圖14 所示。將慣性飛輪設(shè)計(jì)在電機(jī)正中間，盡可能使得其體積小、質(zhì)量輕、慣量大，且回轉(zhuǎn)重心靠近幾何中心。慣性飛輪采用45 鋼金屬材質(zhì)，利用聯(lián)軸器將其塑料固定座固定到電機(jī)軸上。電機(jī)固定座采用夾持方式固定在裝有電池的重心調(diào)節(jié)板上，使得電機(jī)可以軸向竄動(dòng)，進(jìn)而能更好地調(diào)節(jié)機(jī)械陀螺儀的重心位置，使其盡可能在幾何中心。

圖14 機(jī)械陀螺儀三維模型

將機(jī)械陀螺儀與電池固定在一起，作為機(jī)器人的配重模塊，通過(guò)重心調(diào)節(jié)板水平方向的微調(diào)整，進(jìn)而控制機(jī)器人重心的位置盡可能控制在輪子中心的上方。

1.5.3 帶有機(jī)械陀螺儀的足式機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真

綜上所述，通過(guò)分析乘法分配律與小數(shù)乘法的關(guān)聯(lián)性，找到學(xué)習(xí)小數(shù)乘法意義的新方法：運(yùn)用已經(jīng)習(xí)得的乘法分配律的相關(guān)知識(shí)內(nèi)容將小數(shù)乘法的表達(dá)式變形，以此理解小數(shù)乘法的多重含義.這樣的教學(xué)思路不僅能夠加深學(xué)生對(duì)于小數(shù)乘法意義的多種理解，同時(shí)也鞏固了與運(yùn)算律相關(guān)的知識(shí)內(nèi)容，對(duì)乘法分配律的應(yīng)用也更為靈活.因此，在教學(xué)中教師應(yīng)注意對(duì)小數(shù)乘法意義的全面講解，打破對(duì)其含義理解的單一模型，讓學(xué)生學(xué)會(huì)運(yùn)用已有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)解決新問(wèn)題.

利用ADAMS 軟件對(duì)機(jī)械陀螺儀基礎(chǔ)模型進(jìn)行建模，如圖15所示。慣性輪通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)軸連接于轉(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)軸與底座通過(guò)球副連接，底座與大地連接。設(shè)置重力方向?yàn)閥軸負(fù)向，設(shè)置旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)到轉(zhuǎn)軸與慣性輪的轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，角動(dòng)量方向?yàn)檗D(zhuǎn)軸軸向遠(yuǎn)離支點(diǎn)側(cè)，函數(shù)為36 000 d（36 000°/s）。

圖15 機(jī)械陀螺儀基礎(chǔ)模型

運(yùn)行仿真后，得到陀螺儀在俯視方向作逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。以轉(zhuǎn)軸質(zhì)心為研究對(duì)象進(jìn)行測(cè)量，原點(diǎn)坐標(biāo)系為底座中心，采用笛卡爾形式顯示質(zhì)心xyz軸坐標(biāo)的位置，如圖16所示。由圖可知，機(jī)械陀螺儀在水平方向做逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，機(jī)械陀螺儀在重力（y）方向的位置保持在33～40 mm浮動(dòng)，前1.5 s過(guò)程中，由于慣性輪帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)軸加速提高了整體角動(dòng)量，轉(zhuǎn)軸質(zhì)心會(huì)在y方向產(chǎn)生一定的波動(dòng)，但在隨后的時(shí)間里，由于轉(zhuǎn)軸速度逐漸平穩(wěn)，陀螺儀也保持在35 mm高度穩(wěn)定下來(lái)，這個(gè)仿真結(jié)果與實(shí)際相符。

圖16 轉(zhuǎn)軸質(zhì)心xyz軸坐標(biāo)位置

設(shè)想機(jī)械陀螺儀可替換支點(diǎn)如圖17 所示，慣性輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向不變，當(dāng)支撐端在左側(cè)時(shí)，陀螺儀角動(dòng)量L沿著轉(zhuǎn)軸軸線背離轉(zhuǎn)軸支點(diǎn)，重力與支點(diǎn)支撐力產(chǎn)生的力偶M垂直支撐桿軸線與轉(zhuǎn)軸軸線平面指向里側(cè)，此時(shí)由角動(dòng)量定理，陀螺儀將在俯視方向做逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。同理，當(dāng)機(jī)械支點(diǎn)切換至右側(cè)時(shí)，此時(shí)陀螺儀角動(dòng)量L沿著轉(zhuǎn)軸軸線指向轉(zhuǎn)軸支點(diǎn)，重力與支點(diǎn)支撐力產(chǎn)生的力偶M垂直支撐桿軸線與轉(zhuǎn)軸軸線平面指向外側(cè)，此時(shí)由角動(dòng)量定理，陀螺儀將在俯視方向做順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖17 機(jī)械陀螺儀支點(diǎn)替換

通過(guò)這個(gè)原理，可以對(duì)一個(gè)簡(jiǎn)單行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行模擬。首先對(duì)行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模，如圖18 所示。慣性輪通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)軸連接于轉(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)軸與左右的支撐柱通過(guò)球副連接，支撐柱與腳座通過(guò)滑塊連接。

圖18 簡(jiǎn)單行走機(jī)構(gòu)模型

設(shè)置腳座與大地接觸力，重力方向?yàn)閥軸負(fù)向；設(shè)置旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)到轉(zhuǎn)軸與慣性輪的轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，函數(shù)為36 000 d（36 000°/s）；設(shè)置直線驅(qū)動(dòng)分別到左右腳座與左右支撐柱，左腿、右腿的驅(qū)動(dòng)函數(shù)如下。

到左腿的函數(shù)為：

到右腿的函數(shù)為：

左、右腿直線驅(qū)動(dòng)的作用效果為左右腳座依次升降，同時(shí)保證每時(shí)每刻左右支點(diǎn)的最高位置不變。

圖19 簡(jiǎn)單行走機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)軸質(zhì)心xyz軸坐標(biāo)位置

2 輪腿式平衡機(jī)器人控制系統(tǒng)

輪腿式平衡機(jī)器人的控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人姿態(tài)、速度、方向等的監(jiān)測(cè)，通過(guò)控制算法處理傳感器信號(hào)后，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)如雙輪足電機(jī)、機(jī)械陀螺儀電機(jī)、控制腿部伸縮的舵機(jī)等完成相應(yīng)動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的行駛運(yùn)動(dòng)控制以及自主平衡控制。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖20所示。

圖20 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

機(jī)器人在行駛過(guò)程中會(huì)受到很多外界因素干擾，因此機(jī)器人的平衡控制系統(tǒng)需要具有良好的抗干擾能力?？刂葡到y(tǒng)能否迅速高效地對(duì)機(jī)器人的平衡做出反應(yīng)起到至關(guān)重要的作用，因此控制系統(tǒng)對(duì)主控芯片的性能要求較高，并且由于機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)模塊較多，主控芯片需要具有較多的接口。根據(jù)以上要求，采用STM32 系列芯片，其中STM32F103C8T6 型號(hào)芯片擁有37 個(gè)I/O 接口、4 個(gè)16 bit 的定時(shí)器、64 KB 程序存儲(chǔ)容量以及20 KB 的RAM 容量，且工作電壓約為3 V，系統(tǒng)時(shí)鐘最高能采用72 MHz 的頻率，擁有成本低、性能高、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，滿足所需要求。

控制腿部伸縮舵機(jī)即姿態(tài)關(guān)節(jié)調(diào)節(jié)電機(jī)，要求能夠確定腿部機(jī)構(gòu)位置且擁有足夠大的扭矩。經(jīng)過(guò)計(jì)算可知大腿輸入轉(zhuǎn)矩要大于6.4 N·m，ZP20S舵機(jī)扭矩為2 N·m、轉(zhuǎn)角范圍為180°，對(duì)其加4倍減速比，轉(zhuǎn)角縮至45°，且轉(zhuǎn)矩可增至8 N·m，大于6.4 N·m，安全系數(shù)達(dá)1.25，滿足需求。

兩個(gè)輪子的驅(qū)動(dòng)電機(jī)要求能夠進(jìn)行速度檢測(cè)，故采用編碼電機(jī)，驅(qū)動(dòng)器采用一個(gè)TB6612FNG 驅(qū)動(dòng)模塊即可驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)。

檢測(cè)機(jī)器人姿態(tài)的傳感器選用MPU6050 陀螺儀模塊，當(dāng)檢測(cè)到機(jī)器人姿態(tài)為非平衡姿態(tài)時(shí)，機(jī)械陀螺儀充當(dāng)動(dòng)量輪，利用慣性飛輪低速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生慣性扭矩，從而實(shí)現(xiàn)平衡控制。機(jī)械陀螺儀電機(jī)需要能夠滿足速度檢測(cè)、轉(zhuǎn)速較高的要求，故采用無(wú)減速器的編碼電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，采用L298驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。

HC05藍(lán)牙模塊可實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與機(jī)器人交互通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控，并以反饋控制的方式提高機(jī)器人的控制精度。

采用3節(jié)18650電池為機(jī)器人各個(gè)電機(jī)模塊提供能源的電源模塊供電；另外，還需要穩(wěn)壓模塊以及開關(guān)導(dǎo)線若干。

3 優(yōu)化后整機(jī)建模分析

對(duì)優(yōu)化后的零件進(jìn)行組裝，并添加零件的材料屬性，確定總裝配體重心位置，通過(guò)調(diào)整配重改變重心位置，使得身體水平時(shí)重心落在輪子與地面接觸點(diǎn)的正上方。

通過(guò)測(cè)量得到機(jī)器人蹲下時(shí)高度為190 mm，站立時(shí)高度為360 mm，從而可知機(jī)器人高度變化為170 mm，大于期望的150 mm 的高度變化目標(biāo)。質(zhì)量測(cè)量如圖21所示。通過(guò)質(zhì)量測(cè)量，測(cè)得機(jī)器人總質(zhì)量約為2.215 kg，實(shí)現(xiàn)了整機(jī)輕量化設(shè)計(jì)。重心測(cè)量如圖22所示，通過(guò)測(cè)量機(jī)器人不同姿態(tài)下的重心位置，發(fā)現(xiàn)重心始終在輪軸線正上方，滿足腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。

圖21 質(zhì)量測(cè)量

圖22 重心測(cè)量

4 結(jié)束語(yǔ)

本文利用高速旋轉(zhuǎn)的陀螺儀可通過(guò)一個(gè)支點(diǎn)“懸空”的原理，實(shí)現(xiàn)了輪腿式雙足機(jī)器人的抬腿行走動(dòng)作。此外，當(dāng)姿態(tài)傳感器MPU6050 檢測(cè)到機(jī)器人姿態(tài)為非平衡狀態(tài)時(shí)，陀螺儀的慣性飛輪會(huì)加速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生與傾倒方向相反的力矩，從而使機(jī)器人快速回到平衡位置。為了驗(yàn)證上述理論，利用ADAMS軟件對(duì)一個(gè)裝了陀螺儀的簡(jiǎn)單行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真，設(shè)置直線驅(qū)動(dòng)分別在左右腳座與左右支撐柱上。結(jié)果表明：陀螺儀在重力y方向上可在35 mm高度處保持穩(wěn)定，驗(yàn)證了加裝機(jī)械陀螺儀的雙輪足機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)抬腿行走的動(dòng)作，并保持平穩(wěn)的狀態(tài)。

通過(guò)輕量化設(shè)計(jì)，機(jī)器人的整體質(zhì)量降低了55.7%，大大降低了制作的材料成本，同時(shí)保證了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特性。采用Creo7.0創(chuàng)成式優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，大大縮短了開發(fā)周期。與傳統(tǒng)的拓?fù)鋬?yōu)化相比，該技術(shù)分析方便簡(jiǎn)單、求解速度快、模型修改方便，優(yōu)化后達(dá)到了剛度更大、強(qiáng)度更高且外形更加美觀的目的。