基于太极分析的轮式机器人格斗设计*

基于太极分析的轮式机器人格斗设计 *

刘阳 刘生彪 王桂龙

长春工程学院，吉林长春 130012

摘要：随着机器人的普及，人们对机器人的功能性有了更高的要求，同时对机器人的竞赛、观赏更是有了空前的重视。其中有一项最受当代大学生感兴趣的便是机器人格斗，机器人格斗具有竞技性和观赏性。但现在机器人格斗大部分依旧由冲撞、上推、扔举等为主，都比较强硬，这样不但对机器人有极大的损耗而且也增加了电量的消耗。本文从基于太极重心的稳固到太极推手作分析及其解释。并对实战加以分析、讨论其观赏性。

关键词：机器人 格斗 设计 观赏性

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一、绪论

（一）研究背景及意义

由于机器人的特殊性，大部分可用于格斗或观赏格斗的机器人存在格斗形式单一、续航短、观赏性不强等问题。本文针对上述问题，将太极拳技法与机械结构相结合，从而做到动作实战性强、观赏性高，用最小的功率做到最有效的打击。从而解决现阶段格斗机器人的一些短板，而且可以发扬我国太极拳文化。

（二）主要研究方法

本文以分析和理论推导为主的方法进行研究，并通过已有的机器人进行测试。同时结合相应的太极拳分析图、机械结构方针进行分析。并利用MATLAB/Simulink等仿真软件进行仿真测试。

二、太极拳的机械结构分析与设计

（一）太极拳重心的理论分析

在格斗的过程中，控制好重心的目的就是保持平衡。重心稳定有利于平衡，但平衡不是绝对的，在实际运用中，平衡常被打破，这就要求重心转换的灵活。太极对重心的要求是极其严苛的。体认和运用好每一个部分的重心及其整体重心的关系是打好太极拳的一个重要基础。从另一个角度来讲，太极拳的重心不能完全按照字面意思来理解。以最极端的例子解释，左脚支撑，右脚离地，然后慢慢把右脚着地支撑，左脚离地，这就是中心从左移向右。但是太极拳却不能单单这样去理解，举个例子，双脚分开与肩同宽，两条腿各支撑一半的体重，在这个姿势上，两腿不动，上身向右移动，这时会感觉右脚支撑的重量明显的大了，这就是太极拳上说的，此时左脚是虚的，右脚是实的。

重心的关键是守住中线，即守中。其他不论哪个动作与姿势，从脚下着力点垂直向上一条线，这条线就是中线。把握重心的内涵，才能做到流畅的上下、左右、前后、内外、开合、虚实等。这就是所说的上下相随。上下相随是太极拳术语，意思是指运动时上肢、下肢和躯干等各部都要协调配合，使动作完整一气。上下相随简单地讲，就是全身配合好，掌握好进退攻防击打牵制等客观矛盾体。再简单点就是在运动中力的运行要在重心的控制之内。运动范围出了重心的圈就会不攻自破。

把握重心的关键是把握腰的中轴作用。腰部刚好在人形体的中点，是劲力转换的中心，一是来自下肢、盆骨的劲力，然后至此上升为纵形的劲力直达头顶及旁走上肢；二是由上盘向下传导的劲力必通过腰部转换成向下的劲力。故腰是劲力上通下达之关隘腰为中心，为上下通道的关隘。只有“转腰”可以使身躯的中轴部位“随人而动”，与对方的攻击不发生顶抗。太极拳的“转腰”法最基本的特性有四个。一是身体以某一胯为轴转动；二是身体转动以腰为力点；三是转动轴之胯也可移动；四是身体呈弧形兜圈般的转动。另外太极拳中重心的体现，是其肘膝足的相合，太极拳的外三合是主形体的，内三合是主意的，属于内功。而外三合除了形体美以外，重要的就是保持了身体的重心。肩不过膝，膝不过足，手不出圈，这三句话就是保持重心与形体的口诀。重心看似与膝无关，实际上，膝关节决定了重心的高低，重心的高低决定了出腿的距离。

（二）太极拳重心的机器人结构设计

为了满足机器人对太极重心的要求，采取在机器人仿膝关节处、机器人足部及机器人手部安装传感器，通过传感器红外线测距，通过对距离的把控，保证机器人做到“肩不过膝，膝不过足，手不出圈。”列入，当机器人运动过大，机器人膝关节运动超过足部时，传感器会立即反馈以调节屈膝幅度。同时在机器人跨的位置安装陀螺仪，以保障其整体重心的稳定。陀螺仪内部采用中轴悬空式以保障在机器人跨部运动时陀螺仪能够平稳。这样即保障了太极动作重心的控制。

（三）机器人太极动作及推手机械设计

从太极的主观性质可以看出，太极机器人的动作中有极大部分关节处均为曲线运动，故手肘及其手腕处需采用滚轮式舵机或5自由度以上舵机。机器人手部方面为了能达到其太极推手的目的，需将其设置为“掌形”且可通过第二指节的弯曲而变成拳。及其人头部则设计为正方形并在眼部安装传感器，传感器通过对方部分体的运动轨迹、移动速度做出分析和选择，从而做出相应的太极动作，如太极中的基本功，包括四正推手棚、捋、挤、按和四隅推手采、扨、肘、靠等。

三、总结与展望

通过对太极重心的分析做机器人整体动作完成的保障，对机械身体结构的分析与设计结合UG、MATLAB等软件进行分析得出其适合的结论。太极机器人的研究是具有实际意义的，本文所研究的内容仅涉及其初步的成型理论，需要继续开发太极机器人的人－机互动功能，并通过改进使机器人的动作更加流畅，并能通过识别对方机器人的动作做出相应的反应，从而早日在更多的比赛、展会、演出、教学甚至家庭中出现它的身影。

参考文献

1. 北京博创公司.博创——研制工业机器人控制器[J].机器人技术与应用,2013(02):29.

项目名称：长春工程学院大学生创新创业项目：博创尚合舞蹈机器人，项目编号：202111437020。