四足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王麗君

（廣東省機(jī)械高級(jí)技工學(xué)校，廣東 廣州 510000）

四足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王麗君

（廣東省機(jī)械高級(jí)技工學(xué)校，廣東 廣州 510000）

隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，我國(guó)發(fā)明的步行機(jī)器人的應(yīng)用得到了廣泛地應(yīng)用，步行機(jī)器人屬于一種集仿生學(xué)、機(jī)械工程學(xué)以及控制工程學(xué)等多種學(xué)科為一體的一項(xiàng)研究實(shí)體，是一個(gè)典型的多變量、飛翔性以及結(jié)構(gòu)復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，在四足機(jī)器人的研究過(guò)程中，姿態(tài)結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定以及產(chǎn)生穩(wěn)定步行的運(yùn)動(dòng)已經(jīng)成為了必須解決的動(dòng)態(tài)平衡問(wèn)題。本文首先對(duì)四足機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析；其次針對(duì)現(xiàn)有的步行機(jī)器人在實(shí)際研究和應(yīng)用中存在的一些問(wèn)題進(jìn)行了分析。

四足；步行機(jī)器人；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在現(xiàn)階段中，機(jī)器人的主要的移動(dòng)方式包括輪式、履帶式和足式，其中采用輪式和履帶式的機(jī)器人在穿越障礙的能力方面是相對(duì)較弱的，因此運(yùn)動(dòng)方面的靈活性也就不能進(jìn)行充分地展示。在此基礎(chǔ)上，四足機(jī)器人的步行腿就可以具有多個(gè)自由度的特點(diǎn)，在落足點(diǎn)方面是比較分散的，因此可以在足尖點(diǎn)可以控制的范圍之內(nèi)進(jìn)行靈活調(diào)整行走的步態(tài)，在穿越障礙和規(guī)避障礙的能力方面是相對(duì)較強(qiáng)的。

一、四足機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.機(jī)構(gòu)模型的建立和簡(jiǎn)化

在四足哺乳動(dòng)物中，腿部是由5個(gè)部分來(lái)共同組成的，利用和軀干之間的有效連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)腿部的控制，從而完成行走的活動(dòng)，在每一個(gè)關(guān)節(jié)當(dāng)中都擁有1～3個(gè)之間的自由度，可以使其在運(yùn)動(dòng)的時(shí)候進(jìn)行靈活和敏捷地運(yùn)行。在機(jī)械的控制和復(fù)雜方面，要想完全模仿四足生物來(lái)進(jìn)行機(jī)器人的行走，是有一定程度的難度的。只能在保證機(jī)器人可以靈活運(yùn)動(dòng)的前提下，最大程度地降低機(jī)械控制的復(fù)雜程度。四足機(jī)器人由步行腿和側(cè)擺、大腿和小腿3個(gè)部分構(gòu)成，軀體和側(cè)擺、側(cè)擺和大腿、大腿和小腿之間由于需要轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而形成關(guān)節(jié)的連接，在每一個(gè)關(guān)節(jié)處都需要有一個(gè)自由度。

2.自由度的確定

四足機(jī)器人在進(jìn)行的過(guò)程中，步行腿的運(yùn)行可以分為兩種狀態(tài)，分別是擺動(dòng)狀態(tài)和支撐狀態(tài)。在進(jìn)行擺動(dòng)狀態(tài)的時(shí)候，步行腿就和連桿之間就會(huì)形成一種在串聯(lián)基礎(chǔ)上的空間開(kāi)鏈?zhǔn)降慕Y(jié)構(gòu)，此時(shí)的步行腿的自由度和關(guān)節(jié)數(shù)量是一致的。在支撐狀態(tài)中，地面就成為了并聯(lián)機(jī)構(gòu)的機(jī)架，可以簡(jiǎn)單地認(rèn)為是和地面組成的一種球關(guān)節(jié)的狀態(tài)。

二、四足步行機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.方案設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)步行機(jī)器人的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，結(jié)合設(shè)計(jì)的具體要求，對(duì)四足機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，在本文的機(jī)器人設(shè)計(jì)中，需要將平面并聯(lián)無(wú)桿機(jī)構(gòu)的方式應(yīng)用在機(jī)器人當(dāng)中的步行機(jī)構(gòu)中，利用傳動(dòng)軸來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，以此來(lái)作為混合驅(qū)動(dòng)的輸入源進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；在對(duì)外界的感知方面，利用和傳動(dòng)軸一同安裝的動(dòng)態(tài)扭矩傳感器來(lái)獲取，主要用于監(jiān)控步行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)扭矩。在整體的設(shè)計(jì)中，需要將驅(qū)動(dòng)電機(jī)、扭矩傳感器以及控制電路進(jìn)行密封在機(jī)器人的體內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)和外界介質(zhì)之間的有效隔離。最終的步行機(jī)器人單足結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在本文中所涉及的步行機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)是對(duì)稱(chēng)形式的機(jī)器人，首先需要對(duì)機(jī)器人的另建模型進(jìn)行建立，在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和建模的時(shí)候需要對(duì)單只腿的機(jī)構(gòu)以及驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行分析，就可以對(duì)該四足步行機(jī)器人的整體行走結(jié)構(gòu)進(jìn)行了解。在對(duì)該機(jī)器人步行單足機(jī)構(gòu)模型進(jìn)行建立的時(shí)候，第一步需要將步行機(jī)構(gòu)的模型建立，一般情況下，步行機(jī)構(gòu)是由并聯(lián)驅(qū)動(dòng)平面無(wú)桿機(jī)構(gòu)來(lái)共同組成的，因此在進(jìn)行模型建立的過(guò)程中，需要將并聯(lián)無(wú)桿機(jī)構(gòu)的可動(dòng)性能進(jìn)行充分滿足的基礎(chǔ)上，并且對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化建立，再根據(jù)機(jī)器人的整體步行的實(shí)際情況，從而將該機(jī)器人的步行機(jī)構(gòu)的三維模型進(jìn)行建立。

在傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)方面，傳動(dòng)軸首先需要和步行機(jī)構(gòu)中的驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)進(jìn)行連接，在連接的過(guò)程中，一般情況下采用的是鍵槽式周向固定和軸肩以及螺紋旋緊式的軸向固定方式；與此同時(shí)，還需要至少一個(gè)軸承座來(lái)進(jìn)行固定，利用軸承座和動(dòng)態(tài)扭矩傳感器之間的軸向進(jìn)行連接。

在密封軸套的設(shè)計(jì)方面，為了充分保證傳動(dòng)的效率能夠最大程度地提升，在旋轉(zhuǎn)軸和機(jī)殼之間必須留有一定的間隙，可以使得外界的介質(zhì)能夠滲入到其中。軸套在安裝時(shí)需要和轉(zhuǎn)動(dòng)軸一起安裝，因此在軸套的內(nèi)圈內(nèi)存在一個(gè)密封圈的軌道，可以在軌道內(nèi)將旋轉(zhuǎn)軸的周?chē)M(jìn)行包圍，并且進(jìn)行緊密地接觸，利用此種方式來(lái)防止外界介質(zhì)的滲入。

最后就需要對(duì)模型的單元件進(jìn)行裝配，包括控制元器件、動(dòng)態(tài)扭矩傳感器、聯(lián)軸器以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)等，在進(jìn)行裝配的過(guò)程中，值得注意的是同軸安裝，可以對(duì)傳動(dòng)軸的傳動(dòng)效率起到重要的作用，直接影響傳動(dòng)執(zhí)行的效率問(wèn)題。另外，同軸的安裝還對(duì)密封的性能起著決定的作用。密封軸套主要是利用密封圈和旋轉(zhuǎn)軸之間的緊密接觸來(lái)達(dá)到密封的效率，因此同軸度的安裝對(duì)于密封均勻性的問(wèn)題是有著相當(dāng)大的關(guān)系的。與此同時(shí)，同軸度的安裝對(duì)于傳感器的數(shù)據(jù)采集也有著相當(dāng)大的影響，在動(dòng)態(tài)扭矩傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)就會(huì)收到驅(qū)動(dòng)扭矩傳感器對(duì)于周?chē)嚓P(guān)數(shù)據(jù)信息的情況，如果是在同軸度不好的情況下，也會(huì)對(duì)扭矩傳感器的驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生一定的波動(dòng)影響，從而影響傳感器的性能。模型裝配的原理示意圖如圖2所示。

3.傳感器的安裝

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要將動(dòng)態(tài)扭矩的傳感器安裝在驅(qū)動(dòng)電機(jī)和軸承座之間，從而實(shí)現(xiàn)利用剛性聯(lián)軸器和傳動(dòng)軸和電機(jī)的輸出軸向之間的有效連接。

在進(jìn)行安裝時(shí)需要注意的是安裝同軸度的問(wèn)題，同軸度的安裝質(zhì)量好壞可以對(duì)傳感器的功能是否可以有效實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生最直接的關(guān)系，并且也可以對(duì)測(cè)量的準(zhǔn)確性進(jìn)行充分地展示。在實(shí)際安裝過(guò)程中，可以利用軸的連接方式和扭矩傳感器的本身長(zhǎng)度來(lái)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和負(fù)載之間的距離進(jìn)行有效確定，從而可以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和負(fù)載的軸線之間距離的調(diào)整，也就是兩者對(duì)于基準(zhǔn)面距離的調(diào)整，一般情況下，兩者之間的軸線的同軸度是需要小于Ф0.03mm的，需要將其固定在驅(qū)動(dòng)電機(jī)和負(fù)載的基準(zhǔn)面之上的。另外一方面，扭矩傳感器在安裝的過(guò)程當(dāng)中，外界的環(huán)境溫度需要保持在0～60℃的范圍之間，相對(duì)的濕度要小于90%，并且在安裝的過(guò)程中不可以出現(xiàn)易燃和易爆物品。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在傳統(tǒng)四足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)方面的不足的基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)實(shí)生活中的實(shí)際需求來(lái)設(shè)計(jì)出一套嶄新的步行機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，在本文的敘述中，充分地將平面并聯(lián)無(wú)桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用原理應(yīng)用在步行機(jī)器人的機(jī)構(gòu)中，利用軸傳動(dòng)來(lái)對(duì)機(jī)器人本身的步行進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并且在進(jìn)行行走的過(guò)程中可以利用動(dòng)態(tài)扭矩傳感器來(lái)對(duì)周?chē)那闆r進(jìn)行充分感知，最終達(dá)到步行控制的目標(biāo)。

［1］于浩.液壓四足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析［D］.南京航空航天大學(xué)，2012.

［2］李貽斌，李彬，榮學(xué)文，等.液壓驅(qū)動(dòng)四足仿生機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和步態(tài)規(guī)劃［J］.山東大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2011，41（5）：32-36，45.

［3］段清娟，張錦榮，王潤(rùn)孝，等.基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的四足機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2008，27（9）：1171-1174.

［4］馬宗利，李華，王建明，等.四足機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2012，29（7）：34-37，42.

［5］馬宗利，朱彥防，劉永超，等.四足機(jī)器人新型節(jié)能腿的設(shè)計(jì)與分析［J］.東北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，37（4）：543-547，553.

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