行走式机器人发展分析

摘要：行走式机器人主要运用仿生学原理，模仿人类或其它动物（如青蛙、蛇、壁虎等）的运动特征，完成一定的任务。本文试从行走机器人的专利发展进程来探讨行走机器人的发展前景。

行走式机器人专利分析

行走式机器人通常应用仿生学的知识，通过模仿人类或某一种动物的运动方式来达到在不同的环境下行走和作业的目的。

如下图中所示的是本田公司的双脚行走机器人，它包括安装在机器人背部的蓄电池装置和电子控制组件ECU，各个驱动关节处连接有驱动电机。通过ECU控制驱动电机，对机器人的姿态进行控制，可以让机器人像人类一样依靠双腿行走和使用手臂来完成各种不同的作业。头部还安装有功机器人视觉系统用的摄影装置，可以监测外界环境。

双腿行走式机器人可以应用到医疗、工业、服务等多种领域，然而由于其行走方式的特点是以两条腿为支撑，在一些复杂的地形环境下行走时或是用于特殊作业的情况下，双腿行走式机器人难以保持其稳定性，因此，多足式机器人在复杂的地形环境下更具有优势。

多足步行机器人是一种具有冗余驱动、多支链、时变拓扑运动机构， 是模仿多足动物运动形式的特种机器人，是一种足式移动机构。所谓多足一般指四足及四足其以上，常见的多足步行机器人包括四足步行机器人、六足步行机器人、八足步行机器。

多足步行机器人常常应用仿生学的研究成果，如下图所示为公开号为CN102815348的发明，公开了一种四足攀爬机器人，包括躯干、上肢、下肢、手部和足部，肩部舵机位于两躯干侧板上部，肘部舵机通过后臂与肩部舵机连接；腕部舵机位于手部和前臂之间；髋部舵机位于两躯干侧板下部的内侧，大腿位于髋部舵机和膝部舵机之间；小腿与足部和膝部舵机固连。肩部转动副在竖直平面内转动，肘部和腕部转动副在水平面内转动，髋部和膝部转动副在竖直平面内转动。通过模仿树懒的体形结构及攀爬树木方式来实现机器人抱住杆体进行攀爬的结构。机器人攀爬杆体时与杆体产生倾斜角度，手部和足部与杆体间相互作用产生摩擦力，使机器人在自身重力作用下自锁在杆体上。

又如公开号为CN102806951的发明公开了一种仿青蛙跳跃机器人，通过模仿青蛙跳跃来达到在恶劣环境和地形下的自主运动能力。躯干安装板装有前、后肢驱动机构，前、后肢驱动机构分别连接有前、后肢执行机构；前肢驱动机构和后肢驱动机构分别包括输入轴，输入轴上装有第二齿轮、单向轴承、不完全齿轮以及棘轮棘爪，第二齿轮通过齿轮传动到第二输出轴，不完全齿轮通过齿轮传动到第一输出轴；第一输出轴的两端分别装有第二卷筒，第二卷筒上卷有绳索，第二输出轴的两端分别装有输出齿轮。

公开号为CN100540385的发明公开了一种模块化机械螃蟹，它能模仿螃蟹的行进方式在两栖环境下运动和作业。它包括躯干和至少一对步行足，躯干上安装有控制器和遥控装置，每条步行足都由三个模块化结构前端、中端和末端串联组成，躯干与步行足通过固定板相连，步行足前端安装有减震模块和三维力传感器，每个模块化结构都包括直流伺服电机、传动机构和传递关节块，各模块化结构之间通过传递关节块连接，传递关节块连接传动机构，传动机构连接直流伺服电机。

由于行走式机器人通常需要精准的控制其运动方式，因此通常是一个机电一体化的系统，通过电子部件来精准的控制机械部件的运动。如公开号为CN102139714 的发明，公开一种仿人机器人及其步行控制方法，通过用伺服电机对关节扭矩的伺服控制来实现机器人稳定的步行。利用传感器的测量值来计算关节位置轨迹补偿值和关节扭矩补偿值、利用计算出来的补偿值对关节位置轨迹和关节扭矩进行补偿并根据补偿后的关节扭矩来驱动安装到每个关节的电机。

发展展望

由于行走式机器人通常用于复杂环境下的作业，因此一般对其作业的精确程度要求较高。在机械结构的设计上会较多的采用仿生学的手段，通过模仿自然界中的各种动物的形体和运动方式来设计机械结构。同时对作业精确程度要求较高，需要在电子装置和控制系统的设计上提出更高的要求。为了能使一个机器人满足多种环境和多种作业的需求，控制系统会越来越趋于复杂化。