基于液壓驅(qū)動的足式機器人液壓缸設計方法研究

吳艷花，王克楠

（1.湖北文理學院機械與汽車工程學院，襄陽 441053；2.哈爾濱工業(yè)大學 機器人技術(shù)與系統(tǒng)國家重點實驗室，哈爾濱 150001；3.汽車零部件制造裝備數(shù)字化湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，襄陽 441053）

基于液壓驅(qū)動的足式機器人液壓缸設計方法研究

吳艷花1,3，王克楠2

（1.湖北文理學院機械與汽車工程學院，襄陽 441053；2.哈爾濱工業(yè)大學 機器人技術(shù)與系統(tǒng)國家重點實驗室，哈爾濱 150001；3.汽車零部件制造裝備數(shù)字化湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，襄陽 441053）

足式機器人以其良好的地面適應能力吸引了眾多學者研究。然而足式機器人的驅(qū)動方式不盡相同，液壓驅(qū)動因其輸出力大響應速度快逐漸成為足式機器人主要采用的驅(qū)動方式，因此液壓系統(tǒng)驅(qū)動器的設計就顯得十分關(guān)鍵。本文介紹了足式機器人液壓缸驅(qū)動器設計方法。首先通過Adams建立機器人虛擬樣機平臺，并通過Matlab搭建機器人控制系統(tǒng)，然后進行聯(lián)合仿真實驗，通過仿真實驗得到液壓缸設計參數(shù)。根據(jù)所得到的液壓缸設計參數(shù)，經(jīng)過公式計算得到液壓缸結(jié)構(gòu)設計參數(shù)，進而進行液壓缸結(jié)構(gòu)設計和伺服閥選型。最后對所設計的液壓缸進行有限元分析，使其滿足機器人工作要求。

足式機器人；液壓驅(qū)動；聯(lián)合仿真；有限元分析

0 引言

足式動物在自然界許多地形中展現(xiàn)出良好的運動能力，它們通過間歇性的足地接觸以及高效的落足點調(diào)節(jié)能力跨過障礙，穿越溝壑，并且表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。因此，越來越多的學者將目光投向了足式機器人的設計研發(fā)。足式機器人腿部結(jié)構(gòu)通常由桿件和旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成，這樣的結(jié)構(gòu)設計基于仿生學的研究，因此與使用輪子的傳統(tǒng)機器人相比，足式機器人的優(yōu)點在于可以很容易適應不規(guī)則地形[1]。并且足式機器人因其地面適應能力在航天探索領(lǐng)域有著很好的應用前景。

1968年，Liston和Mosher研制了一款足式車輛[2]。該車輛高3.3米，長度約為3米，重約為1400公斤。每個腿部關(guān)節(jié)由液壓缸驅(qū)動，整體由68KW內(nèi)燃機驅(qū)動，然而機器人的控制需要由訓練有素的操作員來完成，操作員通過控制操作桿和腳踏板由力反饋到液壓缸來驅(qū)動機器人，然而復雜的操作方式使操作員十分疲憊，很少有人能夠方便容易的控制機器人。

Matsuoka首先研制了單腿機器人，他的目標是模擬人類運動中的循環(huán)跳躍[3]。為了實現(xiàn)這一目標，Matsuoka制定了一個由身體和失重腿組成的模型，并認為與飛行階段相比，著地階段的時間更短。Raibert 也致力于足式機器人的研究，他研制了一款單腿機器人，這款機器人需要不斷地進行彈跳以保持平衡[4]。整個機身包括了運動所需要的執(zhí)行機構(gòu)以及操作機構(gòu)，腿部可以通過其腿部軸線安裝的直線彈簧進行伸展壓縮運動，這款機器人被限制在一個平面上，因此只可以做前后上下以及矢狀面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運動。Raibert研究的三分控制法成功的應用到足式機器人中，并表現(xiàn)出良好的動態(tài)穩(wěn)定性，機器人最快速度可以達到2.2m/s。并且Raibert及其團隊成員基于單腿機器人的研究成果研制了基于液壓驅(qū)動的雙足以及四足機器人，同樣表現(xiàn)出了良好的動態(tài)穩(wěn)定性。

足式機器人驅(qū)動方式目前主要采用電機驅(qū)動或者液壓驅(qū)動。液壓驅(qū)動以其輸出力大和響應速度快等優(yōu)點逐漸成為足式機器人通常選用的驅(qū)動方式[5]。然而，足式機器人表現(xiàn)出的復雜的動態(tài)現(xiàn)象，使得對其分析和控制變得困難，而驅(qū)動器的設計選型對足式機器人系統(tǒng)控制來說就顯得尤為重要。

因此本文的研究工作主要集中在以下三個方面：1）搭建足式機器人單腿子系統(tǒng)虛擬樣機，定義模型屬性，通過Adams-Matlab進行足式機器人單腿子系統(tǒng)跳躍仿真實驗，通過仿真實驗得到液壓缸設計參數(shù)；2）根據(jù)仿真實驗得到的液壓缸設計參數(shù)經(jīng)過計算進行液壓缸設計以及伺服閥的選型工作；3）對本文所設計的液壓缸進行有限元分析，保證設計的液壓缸滿足強度要求。

1 足式機器人單腿子系統(tǒng)仿真實驗

通過Adams建立單腿子系統(tǒng)虛擬樣機模型，如圖1所示，該機器人腿部結(jié)構(gòu)有髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)兩個自由度，整個機器人由機身，大腿，小腿，液壓缸以及連桿機構(gòu)所組成，機器人由位于機身的兩個并聯(lián)液壓缸驅(qū)動，液壓缸近似水平豎直布置。

圖1 機器人虛擬樣機

表1 單腿子系統(tǒng)機器人樣機參數(shù)

單腿子系統(tǒng)虛擬樣機各關(guān)節(jié)構(gòu)件參數(shù)如表1所示。

本文應用Matlab/Simulink模塊搭建機器人控制系統(tǒng)，如圖2所示。Adams模塊與控制模塊互相傳輸數(shù)據(jù)，控制模塊輸入Adams模塊控制信號，Adams輸出控制模塊所需的狀態(tài)參數(shù)。

通過仿真實驗得到本文液壓缸設計所需的數(shù)據(jù)結(jié)果，水平液壓缸和豎直液壓缸受力情況以及機器人足端軌跡如圖3所示。從仿真結(jié)果可以看出水平液壓缸受力最大約為 6000N，豎直液壓缸約為 8000N，根據(jù)液壓缸受力情況以及機器人的足端軌跡，接下來對液壓缸進行設計選型工作。

圖2 機器人控制系統(tǒng)

2 液壓缸設計以及伺服閥的選型

由于液壓缸經(jīng)常做等速往復運動，根據(jù)液壓缸受力情況以及機器人運動范圍，本文選用雙出桿液壓缸。首先確定液壓缸工作壓力為16Mpa，然后確定液壓缸缸筒內(nèi)徑，考慮到減重要求，本文選用缸筒內(nèi)徑為28mm。然后根據(jù)液壓缸受力情況選擇液壓缸活塞桿直徑。根據(jù)仿真結(jié)果，水平液壓缸最大受力6000N，豎直液壓缸最大受力8000N，則液壓缸活塞桿直徑計算公式如下：

圖3 機器人仿真結(jié)果

其中，D為液壓缸缸筒內(nèi)經(jīng)，d為活塞桿外徑，ps為工作壓力，F(xiàn)max為液壓缸所受最大力。

計算得到豎直液壓缸活塞桿直徑12.2mm，水平液壓缸活塞桿直徑為17.5mm，根據(jù)液壓缸活塞桿直徑國家系列標準，經(jīng)過圓整，本文豎直液壓缸活塞桿直徑選用12mm，水平缸選用16mm。

然后根據(jù)機器人足端軌跡計算得到液壓缸行程，設機器人足端軌跡為根據(jù)運動學解算得到水平與豎直液壓缸鉸接點坐標為設水平液壓缸與機身連接點坐標為豎直液壓缸與機身連接點坐標為則水平與豎直液壓缸長度計算公式如下：

根據(jù)計算結(jié)果得到水平液壓缸行程為112mm，豎直液壓缸行程大約43mm。

接下來進行液壓缸伺服閥的選型工作。液壓缸的選型主要根據(jù)液壓缸的流量來選取。下面本文分別根據(jù)公式(4)計算水平豎直液壓缸空載流量。

其中，Q0為空載流量，As為液壓缸面積，vmax為液壓缸最大速度。

因此，計算液壓缸流量必須知道液壓缸的速度，本文從仿真實驗中得到液壓缸速度如圖4所示。

圖4 液壓缸速度曲線

由上述仿真實驗結(jié)果可知，水平液壓缸最大速度約為2m/s，根據(jù)公式(4)得到水平液壓缸最大空載流量為86L/min，豎直液壓缸最大速度為0.65m/s，根據(jù)公式計算得到最大空載流量為34L/min。

根據(jù)計算得到的液壓缸流量，查找液壓缸伺服閥手冊，本文選用型號為HY150電液伺服閥，如圖5所示。

圖5 HY150電液伺服閥

根據(jù)計算得到的液壓缸參數(shù)以及選用的伺服閥進行液壓缸結(jié)構(gòu)設計，分別設計了水平液壓缸與豎直液壓缸，如圖6所示。

圖6 液壓缸三維效果圖

3 液壓缸有限元分析

為保障本文設計的液壓缸滿足強度要求，對液壓缸進行有限元分析。本文所設計的液壓缸材料選用鋁合金7079。水平液壓缸工作壓力為16Mpa，最大推力為6000N，豎直液壓缸工作壓力16Mpa，最大推力為8000N。仿真結(jié)果如圖7所示，從圖中可以看出水平液壓缸最大應力為116Mpa，豎直液壓缸為119Mpa，均小于鋁合金

7079的200Mpa屈服極限，所以液壓缸設計滿足強度要求。

圖7 液壓缸有限元分析結(jié)果

4 結(jié)論

本文介紹了足式機器人液壓缸設計方法，首先提出了建立足式機器人虛擬樣機，然后編寫機器人控制算法，最后進行聯(lián)合仿真實驗，從而得到機器人液壓缸設計參數(shù)。然后提出了根據(jù)所得到的參數(shù)數(shù)據(jù)，經(jīng)過計算轉(zhuǎn)換成液壓缸結(jié)構(gòu)設計參數(shù)，從而進行液壓缸結(jié)構(gòu)設計，最后經(jīng)過有限元分析，證明所設計的液壓缸滿足強度要求。

上述本文所提出的液壓缸設計方法對足式機器人領(lǐng)域液壓缸設計選型具有指導意義。

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Study on the design of hydraulic cylinder based on hydraulically actuated legged robot

WU Yan-hua1,3, WANG Ke-nan2

TP242.6

：A

：1009-0134(2017)08-0161-04

2017-06-26

吳艷花（1979 -），女，湖北天門人，講師，碩士，研究方向為智能控制和數(shù)控技術(shù)。