张艳华，张淑萍，李真真

（广东科技学院机电工程学院，广东东莞 523083）

教具机器人是一种应用于教育领域的机器人，通常具有以下特点：1）适合教学，满足教学使用的相关需求；
2）具有良好的性能价格比，特定的教学用户群体决定其价格不能太高；
3）是开放和可扩展的，可以根据需要轻松添加或减少功能模块。此外，还应具有友好的人机界面。

但是，对于刚刚入门初学机器人的低龄小学生，他们所接触的不应该是机器人复杂的模块和繁琐的编程，对机器人结构的理解和感兴趣应是学习机器人的重要第一步。为此，本文将使用SolidWorks软件设计一款经济效益高、结构简单合理、使用和维护容易、数据可靠的具有启蒙教育作用的教具机器人。

国内外学者对于四足机器人已经做了大量的研究，国内在这一方面起步较晚，但发展速度比较快，已经取得了一定成果，如模仿牛类、犬类动物的设计[1]。此次设计的机器人是一种面向家庭服务、娱乐教育的机器人，目的在于增加课堂教学的直观性和趣味性。为了适应家庭环境快速灵活地移动，设计了一款仿四足动物行走的四足机器人。

四足机器人必须满足以下几个基本条件：1）稳定行走；
2）具有较强的地形适应能力[2]。在实际中，足式机器人的行走机构大都采用连杆机构[3]。通过观察和研究杨森行走连杆，以连杆机构为基础设计一款四足步行机器人[4]，可以轻松实现，其内部结构简单合理、使用和维护方便。

设计出的机器人机构如图1所示。由原动机、传动装置和工作装置三部分组成[5]。原动机为微型电动机3，工作部分为腿部机构5。电动机输出的转矩通过小齿轮6与大齿轮2的啮合连接降低速度，同时带动与大齿轮2同轴的齿轮3旋转，由于齿轮3与齿轮1和齿轮4啮合，从而将转动传给了与它们同轴的腿部机构，带动腿部运动。驱动四足运动的齿轮共有6个，图中标出了驱动右侧前后两足运动的3个齿轮，分别是1、3和4，驱动左侧前后两足运动的齿轮也有3个，布置和结构与右侧一致。

图1 四足机器人总体设计结果

此机器人设计采用的主要传动方式包括电动机、齿轮机构、复合连杆机构等，以单动力纯机械传动驱动整个机器人腿部，即使用微型电动机作为整体动力代替杨森行走机器人中的风力驱动，通过齿轮传动的方式让其以恒定的步态实现四足行走的目的。

可以用于教学中做机构传动的演示，可使用SolidWorks进行模型的展示或动作模拟，也可以3D打印成型组装实物演示。

2.1 腿部设计

四足机器人的四条腿部均采用完全一致的关节配置，结构均采用多连杆复合机构组成，运动方式基于曲柄摇杆原理，具体组成如图2所示，每条腿均由8个构件组成，其中：机架8为固定件，连杆6为曲柄，是原动件，由电动机通过齿轮传动驱动做匀速转动，动力和运动通过普通连杆7、4、1、2、5，最终传递至脚部连杆3，带动足部支撑，实现足部的移动和支撑。

图2 腿部连杆机构

该机构中含有10个运动副，其中3处存在复合铰链，根据自由度计算公式（1）可得该机构自由度为1，可实现确定的相对运动：

2.2 足部支撑设计

由于腿部上方还会考虑安装其他结构，并且为了使机器人运动起来更加平稳，改善整体的不平衡，最简单方法就是增大每只脚与地面的接触面积，这就必须在每个腿部安装一个类似脚板的部件，具体结构如图1中的零件8所示。

2.3 齿轮传动机构设计

齿轮传动是机械传动中应用最为广泛的一类传动，在常用的机械传动中，齿轮传动的效率是最高的。圆柱齿轮齿条传动在正常润滑条件下的效率可达到99%以上，在大功率传动中，高传动效率是十分重要的[6]。此次设计的四足机器人齿轮参数如表1所示。

表1 四足机器人齿轮参数

驱动四足运动的6个齿轮完全一致，既完成了既定运动，又简化了齿轮机构的组成。

通过SolidWorks软件的基本运动仿真的观察，可以得出整个腿部四足行走机构的步态行走轨迹，如图3所示。

图3 腿部行走轨迹

从图中可以看出，每次抬脚落脚都是对角的两只腿部同时运动，以此来实现行走动作。图中仿真去除了足部支撑，这使得整个机器人的行走过程不够平稳，是因为脚与地面的接触面积太小导致的，这也充分证明设计足部支撑的必要性。

从上述的运动仿真可以看出，采用传统的齿轮机构带动腿部机构运动时，每次都有两腿着地。而通过对四足动物的行走步态观察，在低速行走时，四足动物通常保持着三足着地，只移动剩下的一只脚的步态。要实现这样的行走步态，当然可以考虑使用四个步进电动机单独驱动每条腿来解决，但是这样会使得机器人结构过于繁琐复杂。在简单的杨森行走连杆结构下可以将传统齿轮改为可变径齿轮去实现这样的行走步态。

可变径齿轮是非圆齿轮的一种，主要用于产生特定的运动规律，也有用作流量计中的计量元件。

平时的齿轮由于半径固定，传动比也是不变的，而可变径齿轮由于直径会变化导致传动比也会随之变化，那么相对于抬脚落脚各占一半周期的传统四足可变径齿轮可以缩短一个周期内抬脚部分的占比，从而做到了保持三足着地的状态。

将图1中驱动4组运动的6个齿轮换成可变径齿轮，如图4所示，图4中只列出了驱动右侧前后两足运动的齿轮，2、1、3分别对应图1中的1、3、4。

图4 改装变径齿轮的四足机器人

通过改变齿轮类型，再次在SolidWorks 的基本运动仿真可以观察到，由于传动比的变化，缩短了一个周期内抬脚部分的占比，四足机器人在行走时始终保持着三足着地只移动一只脚的行走步态。需要特别注意的是，在更改齿轮时，需要把曲柄的相位转到合适的位置，否则是无法保持三足着地行走的状态[7]。

直流电动机作为常见的普通电动机，其在各种玩具中使用较多，且其启动特性和调速特性较好，调速范围宽广，在不同输入驱动电压的条件下，可以输出不同的转速，且调速特性较平滑，此外，直流电动机具备较高的过载能力，特别是起动和制动的瞬间能够具有较高的转矩。本文设计的四足机器人，其底盘结构在运动过程中需要启停具有较大的转矩，且希望能够具有较宽的调速范围，因此，本文设计的机器人足部采用BM8206微型直流电动机进行驱动。

本文抓住了机器人教育这一热门元素，结合国内外研究现状，充分考虑使用环境、成本控制、控制方案等，设计出一款四足行走机器人的机械结构，利用SolidWorks软件，将各机械机构进行灵活应用，并很好地结合，最终获得一个可以辅助教学的模型，对于机械类相关课程的教学及机器人的研究都能提供很大的帮助。

设计出的机器人虽不算美观，但是结构简单，便于观察机器人的内部结构和工作原理，能够提高初学者尤其是低龄小学生对于学习机器人结构的兴趣。

通过运用SolidWorks软件对机器人的行走功能设计进行运动模拟和仿真，提供了两种齿轮传动方案，可实现四足机器人不同的行走状态。

猜你喜欢 步态传动腿部 基于步态参数分析的老年跌倒人群步态特征研究现代仪器与医疗(2022年4期)2022-10-08基于仿真的液压传动课程教学改革汽车实用技术(2022年14期)2022-07-30多留意腿部问题 随时舒缓腿部酸痛家用电器(2022年7期)2022-07-13特别策划《步态分析研究综述》包装工程(2022年10期)2022-05-27某型航发结冰试验器传动支撑的热固耦合分析智能制造(2021年4期)2021-11-04坚朗五金获得“传动器及门窗结构”发明专利中国建筑金属结构(2018年12期)2018-12-22步态识人科学之谜(2018年4期)2018-09-17数控卧式重型车床主传动设计智富时代(2018年6期)2018-08-06数控卧式重型车床主传动设计智富时代(2018年6期)2018-08-06快速瘦腿小妙招伴侣(2016年8期)2016-08-11