□伦泽浩 胡卫悦

在当代机器人技术不断发展的背景下，多足步行机器人因具有优异的地形适应性与稳定性等优点得到了人们的普遍重视，但传统多足机器人功能有其局限性，特别是当遇到要求手部操作和移动能力结合的任务场景时会显现出缺陷。为扩大多足步行机器人在灾难救援和复杂环境勘探中的应用领域，研发手脚融合的多足步行机器人是目前的研究重点。这类机器人既可以在复杂地形中稳定地行走，又可以使用与手部相似的结构来完成抓取和作业等工作，大大提高了机器人对复杂工作的处理能力，文将重点对其结构设计方法进行探讨。

具有手脚融合功能的

多足步行机器人结构总体设计的方法

多足步行机器人总体结构设计需兼顾稳定性、负载能力及灵活性，在手脚融合功能机器人设计中，首先对主体框架结构进行确定。在设计主体框架时，应当选用如铝合金或碳纤维这样的高强度、轻量级材料，这样可以有效地降低结构的自重，同时确保其具备足够的结构强度。

其次，腿部结构设计至关重要，吸取了自然界昆虫或者动物腿部形态及运动方式，腿部通常设计为多关节，每一个关节都装备有高性能驱动电机及精密减速器，达到精准角度控制及充分扭矩输出。对脚部来说，被设计成能够适应各种地形，如底部加装可变形橡胶垫或者特殊纹理，以加强摩擦力、抓地力等。

具有手脚融合功能的

多足步行机器人结构中手脚融合功能的设计

一、手部结构设计

手部结构作为手脚融合多足步行机器人中至关重要的组成部分，它的设计，是否合理直接影响机器人完成操作任务的能力。

自由度方面手需要有许多自由度来模拟人手的灵活动作，通常情况下，可以被设计成有至少5个以上的指，每一个指都含有多个多关节。比如在每根手指上设计了3个旋转关节，从而可以达到手指弯曲、舒展和一定的侧向摆动。该多自由度设计使机器人能够根据对象的外形及抓取要求灵活地调节手的姿态。通过各关节协同作用，手能够完成诸如捏小物、抓柱状物、抱不规则形状物等各种动作。

在选材时，手部结构要使用强度高、有一定柔韧性的材料，高强度材料能确保手在受到更大载荷的情况下不发生形变和损伤，例如采用钛合金或者高强度复合材料。而且柔韧性可以避免和物品接触时，由于碰撞导致物品或者手本身受到伤害。同时，在手指表面可以覆盖一层具有摩擦力的软性材料，如特制的橡胶涂层，这不仅能增加与物体之间的摩擦力，提高抓取的稳定性，还能保护被抓取物体的表面。为实现更加准确地抓取与作业，传感器配备非常关键。将压力传感器装于手指端部，是目前常用而又行之有效的办法。这些压力传感器能够实时地感应手指和物体间压力的大小。机器人在抓握物体过程中，压力传感器会向控制系统反馈压力信号，控制系统会根据信号对手指握力进行调节，以保证在平稳抓握物体的同时也不因为用力过大而对物体造成损伤。

二、手脚融合设计

手脚融合机制作为拥有手脚融合功能多足步行机器人特殊设计的核心，决定着机器人行走与作业两大模式切换的顺畅与可靠，手脚融合机制设计时需从机械结构及运动转换等角度深入思考。在机械结构方面，手与脚的连接部位要设计成紧凑而牢固的形态，通过专用铰链及锁扣装置，在手部折叠贴合腿部时，上述铰链及锁扣可以保证手部及腿部紧密连接在一起，从而构成整体结构。例如，在关节的连接部位安装了高强度的旋转铰链，这使得手部能够在特定的角度范围内进行旋转和折叠，同时还配备了自动锁扣装置，可以在手部完全折叠到位后自动锁住，确保行走时不发生松动和抖动，保持机器人稳定行走。

在运动转换过程中，要求准确地控制与配合，机器人由行走状态切换到操作状态后，必须先解锁手和脚的联接，该工艺要求由控制系统准确带动锁扣装置放松，再由电机带动手部关节按预设轨迹运动，展开时，各关节运动速度及角度需严格把控，以免手与机器人本身或者周围物体相撞。比如手开始伸展时，手指关节首先处于收缩的状态，当手渐渐离开腿的时候，手指关节又会按一定的次序伸展。

在控制算法上，要求对手脚融合状态转换进行建模，这些信息由传感器对手、脚的位置、状态进行实时监控，并反馈到控制系统，控制系统基于反馈信息以及预设转换规则对手脚融合机制中每个动作进行精确控制。与此同时，针对可能发生的异常，例如转换时遭遇外部阻力或者内部机械故障等，也必须设计出相关故障检测与应急处理机制。比如当传感器发现某一个关节运动被阻断时，控制系统可以马上停止目前的转换动作并且试图进行再调整或者报警，以保证机器人及其周围的环境安全。

结束语

综上所述，带手脚融合的多足步行机器人，其结构设计既复杂又充满挑战。通过精心设计机械结构、手脚融合功能及关节驱动与控制，可研制出能适应复杂环境、完成多样化工作的高性能机器人。但现有设计方法还有待完善，今后研究可进一步优化结构设计、提升机器人智能化水平等，例如引入机器学习算法对运动控制及操作策略进行优化，使得它在实践中能够起到更大的作用，更能适应工业、救援和其他方面的需要。

(作者单位：山东工程职业技术大学，山东 济南250200)