双足机器人是仿生机器人中的重要研究方向,具有很强的科学研究价值及工程应用前景。目前,绝大多数的双足机器人主要采用串联机构构型。比如Wow Wee公司为儿童开发的ROBOSAPIEN机器人,可以实现不依赖轮子的腿式行走功能,具有双臂结构,可以用任何一只手臂抓取物体,并具有一定的抛物能力。日本本田公司自上世纪90年代开发了Asimo双足机器人,实现了高度拟人的行走功能,并引领双足机器人领域的最高水平长达十余年。近几年来,波士顿动力公司研发的ATLAS系列双足机器人异军突起,表现惊艳,不仅实现了高度拟人行走及奔跑,甚至可以完成空翻及单腿跳跃上台阶等高难度动作。自此,双足机器人的发展进入新的时代。目前双足机器人的类型主要以驱动器类型为参考,即以Asimo为典型代表的电机驱动双足机器人以及以ATLAS为代表的液压驱动双足机器人,后者的功率密度要远高于前者,因此从表现性能上看后者更有优势。然而在腿部实现机构设计方面大都采用串联机构,即模仿人类下肢结构,由大腿、小腿以及足部串联构成,相邻杆件通过单自由度或者多自由度关节进行连接。这种串联式机构具有灵活度高、工作空间大的优势,不足之处在于承载力不高、失稳风险高以及末端惯量大。而并联机构则可以避免这些问题,超大的承载能力,稳定的支撑,驱动部件置于基座端,大大降低末端惯量。目前并联机构在机器人方面多用于飞行模拟器、机床技术、起重机技术及水下装备研究等,例如Gough-Stewart平台和DELTA机器人。Gough-Stewart平台可以被认为是第一个并联机器人。该并联机构具有六个棱柱形执行器,由液压千斤顶或电动驱动,末端执行器具有6个自由度,包括3个直线运动和3个旋转运动。DELTA机器人的三个机械臂连接在底座的旋转电机上,同时采用平行四边形设计来保持其末端执行器的姿态,可以实现高速操作,在高速分拣领域具有重要作用,极大的提高了生产效率。并联机构具备三个优点:一是并联机构的连杆及执行器仅可感受拉力或是压力,不产生任何弯曲或扭矩,具有良好的灵活性;二是并联机构的执行器可以居中地安装在单个基座平台上,并且机械臂的运动仅通过支链和运动副控制,质量分布的集中化可以实现更轻的机械臂结构和更快速的运动,也降低了机器人的整体惯性矩。同时其末端刚度大,位置精度高,能够实现更加精确的步态规划;三是相比串联机构其具有更好的承载能力,可以应用于特殊环境及特种作业场合。因此,并联机构应用于双足腿式机器人的主体机构具备可行性。本研究将以并联机构为研究对象,研究其在双足机器人中的设计问题。为了使并联机构作为双足机器人的机械腿具备最佳的运动效果,需要确定几个指标。首先,双足机器人的腿部结构要紧凑,这是一个十分重要的设计要求,机器人在运动过程中其腿部不能相互接触,产生干涉,同时还要兼顾机器人的整体的紧凑性。所以从这一方面考虑,即使DELTA机器人具有非常好的静力学和动力学特性,也不一定能被应用于双足机器人的机械腿设计中,因为DELTA的机械臂在运动过程中会超过基台的范围,这就意味着为防止干涉,双足机器人将需要更大的体积去容纳该机械腿,结构将难以紧凑。第二是机器人的移动性。并联机器人存在许多不同的自由度组合,如3个平移、3个旋转、2个平移和1个旋转、2个平移和2个旋转等等。为了模拟人腿的步态,机器人至少需要2个平移运动,即矢状面内的两个移动自由度。如果具备第三个平移运动可以帮助机器人完成更灵活的步态。因此,参考文献[10]中设计的3-UPR机器人就不能应用于双足机器人的机械腿。3-UPR机器人拥有3个旋转运动,而无平移。3-UPU并联机构是一个很好的解决方案,它具有3个平移运动,其结构紧凑,采用3个线性马达进行驱动。唯一的缺点是末端执行器没有旋转运动,因此机器人无法在颠簸的道路上行走,并且只能沿特定的方向移动,无法转向。本文中所设计的机械腿的高度约为0.5m。3-UPU机构由固定平台和通过三个UPU机构彼此连接的末端执行器共同组成,即每条支链由连接固定平台的万向节U,一个驱动的棱柱副P和一个连接末端执行器的万向节U。通过对机械腿的自由度进行分析计算,可以得出机器人的活动度是3。在其内部没有局部活动度,所有的移动均针对于末端执行器,末端执行器可实现3个方向上的移动。运动学有助于了解末端执行器的位置和方向与电机运动之间的关系。本论文运用正、逆运动学对末端执行器和固定的腿部的位置及其精度进行了分析,得到每条腿的长度关于移动平台中心位置的函数。为了了解机器人的移动性,并且防止干涉,需要对3-UPU机构的工作空间进行分析。机器人的工作空间是末端执行器在至少一个方向所能到达的点。通过运动学分析,可以知道末端执行器位置的表达式。运用数学软件,基于机械腿的实际组件和尺寸规格,绘制出机构的工作空间。3-UPU机构的通用工作空间是一个碗状的结构,内部为空心,只有几个到达外面的点。工作空间在顶部区域具有相同的形状,但是其并不具有圆对称性,只是沿着机器人的前进方向左右部分的空间对称。为了简化工作空间的问题,假定3-UPU机构的末端执行器将不再左右移动,而是在原地进行提升和向前移动。即机器人只是向前行走而不发生左右移动。借助同样的方法,可以绘制出这种情况下的工作空间图形。从图形中可以看到,在平面中移动的工作空间同样是不对称的。同时,当末端执行器沿垂直方向提升到极限的位置能到达的点是有限的。因此,在这些区域,当线性马达稍微移动时,末端执行器将跨越较大的幅度。为了实现精确移动的性能,这就需要线性马达在这些区域是要有极高的精确性。考虑到这种情况,将末端执行器在垂直方向上的位置限制在距极限位置330mm处。使双足机器人的步态与人类的步态相近具有较高的研究价值。在文献[7]中的研究,研究人员通过使用惯性传感器对人在行走过程中人脚的轨迹进行测量。根据研究结果,人体在行走过程中脚部的垂直位移不超过100mm,假定人腿的长度为1m,则脚部的抬起高度为腿部的10%。由于之前设定机械腿的高度为0.5m,因此机械腿在垂直方向上的工作空间的长度约为50mm。3-UPU机构的步态具有两个阶段。一是机器人向前移动的阶段,一条脚抬起向前移动并落下。二是另一条腿向前移动,该腿仅在水平方向上发生平移运动。这两阶段步态中,机械腿的工作空间均为平面状态。根据之前所绘制出的简化的工作空间,对机器人在行走过程中的移动轨迹进行优化。对于第一阶段,垂直方向上的位移为50mm。考虑到为了机器人步态的精确性,已将末端执行器在垂直方向上的位置限制在距极限位置330mm处,因此设计末端执行器的垂直移动范围为从距极限位置340mm处到390mm处。为了使机器人具有较好的移动效果,需要机械腿的步幅大于固定平台的直径。固定平台的直径为300mm。因此设计以机器人站立姿态为基准,前后可移动160mm。第二阶段同第一阶段的平移范围。为了可以较为容易的分析末端执行器的运动,将机器人完成一个步态的周期设定为10s,慢于人类正常的行走速度,这样可以方便之后对于3-UPU机构进行优化,使末端执行器移动速度更快,同时更加精确。为了确认3-UPU机构所实现的步态轨迹是否有效可靠,通过仿真获得步态轨迹。该轨迹基于现有的步态和已建立的方程,然后通过将理论轨迹与仿真轨迹进行比较分析判断在理论轨迹中是否存在错误。首先,仅考虑简化后的工作空间。将末端执行器的理论位置通过逆向运动学进行计算,可以得到机械腿中每条连杆的长度,然后通过软件进行分析,得到机构在运动中的位置。将理论位置与仿真位置进行比较。通过分析结果,得知机器人的仿真步态与理论结果十分相近。在垂直方向上的误差小于0.2%,在前进方向上的误差小于1%。因此,可以得出结论,理论步态可以在三维模型中得到很好的实现,可以得到预期的轨迹。为获得直线电机需要的最大输出力,需要进一步分析其静力学,同时可以获得万向节中用于移动机构的扭矩。在静力学模拟中,为了使得出的关节中的力更加贴近实际,将其中一条机械腿固定,以表示机器人与地面间的接触。同时考虑重力,例如机器人的手臂、臀部和电池的重量对仿真的影响,并且在固定平台上施加200N的外力。仿真中给出轨迹的两个点位置(初始点和最终点),将模拟分为两部分。第一部分是移动的机械腿向前移动,至平衡位置。第二部分是机械腿继续向前移动,至完成一次迈步。仿真结果表明在第一部分中,固定腿部中的线性电机的输出力除了初始时刻需要668N,在其余时刻均不超过200N。原因是在移动过程中,固定腿部的电机需要承载机器人的整体重量,以提供向前移动的可能性。因此,对于这一部分来讲,线性电机需最少需提供700N的力。关于万向节中扭矩,模拟结果发现0.2s处固定腿部的万向节中出现了一个峰值,代表最大扭矩。在移动腿部的万向节中同样出现这种情况,但最大扭矩要低于固定腿部。因为依据固定腿部的最大峰值选择电机参数,以实现相应的步态。在第二部分中,线性电机的特性与第一部分相似,不同的是在运动过程中电机所需提供的最大的力为500N。万向节的扭矩情况与第一部分相同。在进行分析之前,需知道其重心的位置,这将有助于创建新轨迹并帮助保持双足机器人的平衡。重心的位置可以借助三维软件获得。在加入重心之后,运动学方程将会发生改变,机械腿左右的移动将不会再是一个常数。通过运用与分析简化工作空间,可以得到机器人的仿真步态与理论结果仍然十分相近。在垂直方向上的位置误差小于2%,左右方向上的误差小于0.3%,但对于前进方向上误差上升了近1%。从结果上可以看出,新的理论轨迹同样可以在三维模型中得到很好的实现。通过静力学模拟,线性电机所需提供的最小力为800N。万向节的扭矩会出现两个峰值,但与简单工作空间相同,峰值在机器人移动过程中会增加。综合这两种情况下的分析结果,线性电机所提供的力选择800N即可满足设计要求。对于万向节中的扭矩,情况较为复杂,选择扭矩的最小值,需要进行另一项分析以估算该值。综上,本文提出了基于并联3-UPU机构设计双足机器人腿部结构,分析了其运动学,工作空间的数学模型。以模拟人体步态为出发点,研究了基于步态轨迹的并联腿部结构的运动学参数选定,获得并联机构各支链运动学参数;利用软件获取其重心信息,通过静力学分析获得其行走时并联机构各支链的受力情况,获得其直线驱动器输出力范围。本论文的讨论以及结果从理论上证实了采用并联机构作为双足机器人机构的可行性,为双足机器人的发展提供个了新思路。