液壓驅(qū)動四足機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

田顯 白強(qiáng)

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，機(jī)器人行業(yè)的科學(xué)技術(shù)水平逐漸提高，并且越來越廣泛的應(yīng)用到實(shí)踐之中，相關(guān)技術(shù)逐漸成熟并且隨之不斷完善。對于液壓四足機(jī)器人來說，其本身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對較為復(fù)雜，并且所涉及關(guān)節(jié)較多，多采用仿生設(shè)計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)此種機(jī)器人的功能與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需要從其運(yùn)行速度、穿越障礙的能力以及靈活性等方面加以考慮。本文基于此種觀點(diǎn)，對液壓驅(qū)動四足機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討，并且對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了初步分析。

關(guān)鍵詞：液壓驅(qū)動；機(jī)器人；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，以往看似遙不可及的技術(shù)已經(jīng)逐漸成為現(xiàn)實(shí)，對于機(jī)器人行業(yè)來說就是如此，隨著人們對于機(jī)器人領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)的不斷開發(fā)，機(jī)器人的應(yīng)用以及設(shè)計(jì)理念在不斷成熟，所應(yīng)用的領(lǐng)域隨之逐漸擴(kuò)大。由于機(jī)器人本身的特點(diǎn)以及優(yōu)勢，能夠在某些人力所不能及的領(lǐng)域發(fā)揮自身獨(dú)特的作用例如地震搜救、外星探測等方面。這就對機(jī)器人的自身性能以及適應(yīng)能力提出了新的要求，從而能夠在各種不同環(huán)境中較為出色地完成各項(xiàng)任務(wù)，保證科學(xué)研究等工作的順利進(jìn)行。因此，不僅僅要求機(jī)器人能夠在環(huán)境中適應(yīng) ，還要求機(jī)器人具有一定的承重能力，液壓系統(tǒng)無疑能夠滿足此種要求。液壓系統(tǒng)本身的體積相對較小，并且精確程度較高，具有較為明顯的優(yōu)勢。

一、四足液壓機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

四足驅(qū)動液壓機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)往往需要多個(gè)方面以及不同模塊的協(xié)調(diào)配合，才能夠發(fā)揮最大的效果，例如腿模塊、腿模塊的結(jié)構(gòu)形式以及腿數(shù)目等等。

腿模塊的設(shè)計(jì)工作是液壓驅(qū)動四足機(jī)器人的最為重要的部分，腿模塊對于提高機(jī)器人字舍你的靈活性以及傳送精度，簡化機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有著極為重要的作用，完善腿模塊設(shè)計(jì)，有助于降低機(jī)器人的制造成本，提高其自身的行走能力。

首先，對于液壓驅(qū)動四足機(jī)器人的腿模塊自由度的選擇，其本身的靈活性越高，要求的可控的自由度就越多，但相應(yīng)的，每一個(gè)可控自由度都需要配備專門的驅(qū)動系統(tǒng)以及活動結(jié)構(gòu)，所以從這一點(diǎn)上來說，腿模塊的自由程度同其自身的重量是正相關(guān)的。因此，在滿足自由度的前提下，腿模塊所安裝的自由度模塊越少越好。

目前，多足步行機(jī)器人的發(fā)展，不僅需要穩(wěn)定的行走，而且需要腿機(jī)構(gòu)作為機(jī)械手來完成操作任務(wù)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)在執(zhí)行操作任務(wù)時(shí)，要求行走機(jī)器人的本體也應(yīng)是執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有良好剛度和靜態(tài)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。為保證行走機(jī)器人本體的靜態(tài)穩(wěn)定性，行走機(jī)器人應(yīng)具有三條腿或更多條腿。為了實(shí)現(xiàn)靜態(tài)和穩(wěn)定步態(tài)的可能性，步行機(jī)器人必須有四條腿或更多條腿。靜態(tài)穩(wěn)定步態(tài)的穩(wěn)定裕度隨著腿數(shù)的增加而增加，但當(dāng)腿數(shù)增加到7個(gè)以上時(shí)，穩(wěn)定裕度的變化趨于平緩。行走機(jī)器人由液壓驅(qū)動。每個(gè)支腿上的每個(gè)自由度都由其內(nèi)部安裝的馬達(dá)進(jìn)行驅(qū)動，如此一來，每個(gè)支腿上有三個(gè)驅(qū)動系統(tǒng)。液壓四足機(jī)器人的腿越多，驅(qū)動系統(tǒng)越多，整個(gè)機(jī)器的自重就越大，步行機(jī)的承載能力也相應(yīng)降低。為了減少驅(qū)動系統(tǒng)的數(shù)量，提高行走機(jī)構(gòu)的承載能力，就需要進(jìn)行一定的裝置優(yōu)化。

腿的安裝方式?jīng)Q定了步行機(jī)器人腿模塊在人體上的安裝方式。主要有兩種類型：昆蟲類（或爬行動物類，如海蟹）的腿在身體的一側(cè)，哺乳動物類（如老虎）的腿在身體的底部。四足步行機(jī)器人的腿機(jī)構(gòu)不僅具有行走功能，還需要作為液壓機(jī)械手來完成操作。爬行動物式腿機(jī)在結(jié)構(gòu)上更容易實(shí)現(xiàn)，因此從這一點(diǎn)上來說，其本身的優(yōu)點(diǎn)就在一定程度上凸顯了出來。

二、四足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分類

在進(jìn)行四足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前，需要根據(jù)機(jī)器人的用途以及目前所需要的機(jī)器人類型加以分析。在機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分類方面，主要有以下幾種。

首先，根據(jù)機(jī)器人的腿模塊的構(gòu)造方式與腿部同本體之間的的相互關(guān)系，可以簡單分為并聯(lián)機(jī)構(gòu)以及串聯(lián)機(jī)構(gòu)。具體來說，串聯(lián)結(jié)構(gòu)的四足機(jī)器人大部分為開鏈結(jié)構(gòu)，此種結(jié)構(gòu)的整體工作的空間較大，本身的自由空間較多，自由程度也相對較高，在機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動的過程中能夠隨時(shí)根據(jù)情況進(jìn)行調(diào)整，對于機(jī)器人自身的姿勢以及姿態(tài)的調(diào)整相對簡單；但同時(shí)，此種結(jié)構(gòu)的缺陷也相對明顯，例如機(jī)器人本身的承載能力受到限制，運(yùn)動過程中的協(xié)調(diào)性較難操作等；

而對于并聯(lián)機(jī)器人來說，此種機(jī)器人的承載能力相對串聯(lián)機(jī)器人更大，所具有的精度更好，但相對的并聯(lián)機(jī)器人的制造成本也相對更高，而且自身在工作以及運(yùn)行中的靈活性同串聯(lián)機(jī)器人遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能比，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也相對更為復(fù)雜，并且由于并聯(lián)機(jī)器人相對于串聯(lián)機(jī)器人的研究起步相對較晚，因此在此種方面的研究也相對較少，可供參考的研究成果以及研究資料也相對較為缺乏，進(jìn)行此種方面的研究也難度更高。

除去以上兩種結(jié)構(gòu)之外，還存在混聯(lián)腿結(jié)構(gòu)，此種結(jié)構(gòu)介乎于并聯(lián)結(jié)構(gòu)與串聯(lián)結(jié)構(gòu)之間，同樣具備一定的優(yōu)勢但也存在相應(yīng)的缺陷，并且由于此種模式的起步研究以及應(yīng)用相對較晚，對于此方面的研究成果以及研究資料也相對較少，從機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)上來說，此種結(jié)構(gòu)也是三種機(jī)器人的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中最為復(fù)雜的一種，因此從各個(gè)方面綜合來說，進(jìn)行四足機(jī)器人的設(shè)計(jì)，往往需要選擇質(zhì)量較為穩(wěn)定，靈活程度相對較高并且操作相對簡單地串聯(lián)機(jī)器人。

總體上來說，對現(xiàn)有的液壓四足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步分析以及對比之后，大致上能夠確定四足機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及腿模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并且根據(jù)機(jī)器人領(lǐng)域的運(yùn)動學(xué)以及靜力學(xué)等研究方向，需要對四足機(jī)器人的速度、加速度以及靜力等參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析，從而得到四足機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)的變量以及相應(yīng)的數(shù)學(xué)方程。

三、結(jié)語

綜上所述，液壓四足機(jī)器人的應(yīng)用前景以及應(yīng)用前途以及設(shè)計(jì)研究的領(lǐng)域極為廣泛，本文對四足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了初步探索，僅僅是四足機(jī)器人研究設(shè)計(jì)工作中較小的部分，而對于四足機(jī)器人來說，重視其本身的仿生學(xué)設(shè)計(jì)是其實(shí)現(xiàn)長遠(yuǎn)發(fā)展的重要途徑，只有在成熟技術(shù)的支持下以及合理方案的指導(dǎo)下，才能夠設(shè)計(jì)出較為合理且穩(wěn)定的四足機(jī)器人結(jié)構(gòu)，以便于開展進(jìn)一步的四足機(jī)器人研究工作。因此，需要有關(guān)工作人員重視四足機(jī)器人的動力學(xué)分析以及傳感器的安裝設(shè)計(jì)，從而促進(jìn)液壓四足機(jī)器人的整體進(jìn)步。

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作者簡介：

田顯，出生年月：19890110，性別：男，民族：漢，籍貫（精確到市）：四川省閬中市，當(dāng)前職務(wù)：質(zhì)量，當(dāng)前職稱：助理工程師，學(xué)歷：本科，研究方向：機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).