设计实例：仿人步行两足机器人优化方案

人类用两条腿走、跑、跳、蹲、转甚至空翻、倒立，这与人类有：①发达的骨骼、关节、肌腱和韧带；②发达的大脑及神经系统；③发达的感觉系统等密切相关。

人类的步行是大脑控制肌群的收缩和放松，通过韧带使骨骼相对关节转动而完成的。对于一台步行机器人来说，其执行部分相当于人的脚、小腿、大腿、胯（臀）；传动部分相当于韧带；原动机部分相当于肌腱；传感装置和计算机控制系统相当于感觉系统和大脑及神经系统。

设计者运用计算机科学、电子学、传感技术、机构学及材料学等高新技术，用执行部分、传动部分、原动机部分、传感装置和计算机控制系统等5部分来模仿人类的3个基本结构和功能，研制出仿人步行二足机器人。

（1）执行部分、传动部分

步行机器人的执行部分、传动部分由脚、小腿、大腿、胯（臀）以及踝、膝、股、腰等关节组成，其中关节是关键部位。图11.11示出了各关节结构简图，实质上就是滑块—摆杆机构。

图11.11　仿人步行二足机器人的关节简图

以踝关节为例，伺服电机1、2相当于肌腱，为原动机部分；滚珠螺杆3和4、螺杆螺母5和6与连杆7和8相当于韧带，为传动部分；脚9为执行部分。脚9相对小腿10之间的摆动是由伺服电机1、2的转动通过滚珠螺杆3、4转换为螺杆螺母5、6的直线运动，再经连杆7、8完成的。踝关节具有两个自由度，当伺服电机1、2同向转动时，脚9相对小腿10绕y轴摆动；当伺服电机1、2反向转动时，脚9相对小腿10绕y轴摆动。图中各铰链均为球铰。

股关节与踝关节结构相似。

膝关节具有一个自由度。伺服电机11的转动通过滚珠螺杆12使螺杆螺母13带动连杆14完成小腿10与大腿15之间绕y轴的相对摆动。

腰关节具有一个自由度。伺服电机25通过同步带轮26，同步带27，便与同步带轮28同轴的滚珠螺杆29转动，并经螺杆螺母30和构件31使胯（臀）24绕z轴摆动。

欲使仿人步行二足机器人再现人腿的全部功能是非常困难的。由于机构的限制和防止伺服电机过度转动，使用了限位开关，各关节实际可动范围见表11.9。

表11.9　关节的可动范围

（2）传感装置(www.xing528.com)

人类的感觉系统非常发达。对于步行来说，最基本的包括控制平衡的小脑，脚与地面是否接触的感觉，各关节的弯曲程度和用力大小等。

仿人步行二足机器人采用电子陀螺控制身体平衡，力传感器体现脚的触觉，轴角编码器反应肌腱信息，电机电流表反应控制力矩的大小。

前后、左右4个方向各装有一个陀螺，用于检测机器人身体的倾倒角速度，控制其平衡。脚与地面是否接触的触觉由脚上的力传感器获得。该力传感器是在每只脚上贴4个应变片，可获得脚上4个部位所受的力。

各关节的弯曲程度由与伺服电机相连的光学轴角编码器获得。轴角编码器的脉冲信号经可逆计数器，通过频率电压转换器变换成电压信号。电子陀螺的工作原理如图11.12所示。

图11.12　电子陀螺的工作原理

（3）原动机部分和计算机控制系统

原动机部分主要由伺服电机（图11.11中1，2，11，16，17，25）和放大器等组成，相当于人的肌腱。

计算机控制系统由计算机系统、带有轴角编码器的伺服电机、传感装置、频率电压转换器、控制放大器、反馈电路等组成（见图11.13）。

应用滑块—摆杆机构研制的仿人步行二足机器人步行试验表明，能够完成稳定的静、动步行，并能在一定程度上适应地面的高度变化。

图11.13　计算机控制系统框图

（4）结论

生物是自然进化中经历亿万年筛选淘汰和改进，才形成了现在的有机体，而人类作为生物界中的一员，在同自然的搏斗中，经历了数百万年的发展变化，才成为自然界中的一员。人体的骨骼、肌肉、组织、器官是任何其他生物所不能比拟的。因此，将人体的结构和功能运用到科学技术领域，必将大有可为。