四足機器人的結構設計

王麗君

（廣東省機械高級技工學校，廣東 廣州 510000）

四足機器人的結構設計

王麗君

（廣東省機械高級技工學校，廣東 廣州 510000）

隨著機器人技術的不斷發展，我國發明的步行機器人的應用得到了廣泛地應用，步行機器人屬于一種集仿生學、機械工程學以及控制工程學等多種學科為一體的一項研究實體，是一個典型的多變量、飛翔性以及結構復雜的動力學系統，在四足機器人的研究過程中，姿態結構的不穩定以及產生穩定步行的運動已經成為了必須解決的動態平衡問題。本文首先對四足機器人的本體結構設計進行了分析；其次針對現有的步行機器人在實際研究和應用中存在的一些問題進行了分析。

四足；步行機器人；結構設計

在現階段中，機器人的主要的移動方式包括輪式、履帶式和足式，其中采用輪式和履帶式的機器人在穿越障礙的能力方面是相對較弱的，因此運動方面的靈活性也就不能進行充分地展示。在此基礎上，四足機器人的步行腿就可以具有多個自由度的特點，在落足點方面是比較分散的，因此可以在足尖點可以控制的范圍之內進行靈活調整行走的步態，在穿越障礙和規避障礙的能力方面是相對較強的。

一、四足機器人的本體結構設計

1.機構模型的建立和簡化

在四足哺乳動物中，腿部是由5個部分來共同組成的，利用和軀干之間的有效連接，實現對腿部的控制，從而完成行走的活動，在每一個關節當中都擁有1～3個之間的自由度，可以使其在運動的時候進行靈活和敏捷地運行。在機械的控制和復雜方面，要想完全模仿四足生物來進行機器人的行走，是有一定程度的難度的。只能在保證機器人可以靈活運動的前提下，最大程度地降低機械控制的復雜程度。四足機器人由步行腿和側擺、大腿和小腿3個部分構成，軀體和側擺、側擺和大腿、大腿和小腿之間由于需要轉動進而形成關節的連接，在每一個關節處都需要有一個自由度。

2.自由度的確定

四足機器人在進行的過程中，步行腿的運行可以分為兩種狀態，分別是擺動狀態和支撐狀態。在進行擺動狀態的時候，步行腿就和連桿之間就會形成一種在串聯基礎上的空間開鏈式的結構，此時的步行腿的自由度和關節數量是一致的。在支撐狀態中，地面就成為了并聯機構的機架，可以簡單地認為是和地面組成的一種球關節的狀態。

二、四足步行機器人整體結構設計

1.方案設計

在傳統步行機器人的設計基礎上，結合設計的具體要求，對四足機器人的整體設計進行了分析，在本文的機器人設計中，需要將平面并聯無桿機構的方式應用在機器人當中的步行機構中，利用傳動軸來進行驅動，以此來作為混合驅動的輸入源進行驅動；在對外界的感知方面，利用和傳動軸一同安裝的動態扭矩傳感器來獲取，主要用于監控步行機構驅動關節的驅動扭矩。在整體的設計中，需要將驅動電機、扭矩傳感器以及控制電路進行密封在機器人的體內，從而實現控制系統和外界介質之間的有效隔離。最終的步行機器人單足結構如圖1所示。

2.結構設計

在本文中所涉及的步行機器人的總體結構是對稱形式的機器人，首先需要對機器人的另建模型進行建立，在對結構進行分析和建模的時候需要對單只腿的機構以及驅動方式進行分析，就可以對該四足步行機器人的整體行走結構進行了解。在對該機器人步行單足機構模型進行建立的時候，第一步需要將步行機構的模型建立，一般情況下，步行機構是由并聯驅動平面無桿機構來共同組成的，因此在進行模型建立的過程中，需要將并聯無桿機構的可動性能進行充分滿足的基礎上，并且對其進行優化建立，再根據機器人的整體步行的實際情況，從而將該機器人的步行機構的三維模型進行建立。

在傳動軸的設計方面，傳動軸首先需要和步行機構中的驅動關節進行連接，在連接的過程中，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，還需要至少一個軸承座來進行固定，利用軸承座和動態扭矩傳感器之間的軸向進行連接。

在密封軸套的設計方面，為了充分保證傳動的效率能夠最大程度地提升，在旋轉軸和機殼之間必須留有一定的間隙，可以使得外界的介質能夠滲入到其中。軸套在安裝時需要和轉動軸一起安裝，因此在軸套的內圈內存在一個密封圈的軌道，可以在軌道內將旋轉軸的周圍進行包圍，并且進行緊密地接觸，利用此種方式來防止外界介質的滲入。

最后就需要對模型的單元件進行裝配，包括控制元器件、動態扭矩傳感器、聯軸器以及驅動電機等，在進行裝配的過程中，值得注意的是同軸安裝，可以對傳動軸的傳動效率起到重要的作用，直接影響傳動執行的效率問題。另外，同軸的安裝還對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軸之間的緊密接觸來達到密封的效率，因此同軸度的安裝對于密封均勻性的問題是有著相當大的關系的。與此同時，同軸度的安裝對于傳感器的數據采集也有著相當大的影響，在動態扭矩傳感器進行實時監測的過程中，驅動關節就會收到驅動扭矩傳感器對于周圍相關數據信息的情況，如果是在同軸度不好的情況下，也會對扭矩傳感器的驅動產生一定的波動影響，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

在進行結構設計的過程中，需要將動態扭矩的傳感器安裝在驅動電機和軸承座之間，從而實現利用剛性聯軸器和傳動軸和電機的輸出軸向之間的有效連接。

在進行安裝時需要注意的是安裝同軸度的問題，同軸度的安裝質量好壞可以對傳感器的功能是否可以有效實現產生最直接的關系，并且也可以對測量的準確性進行充分地展示。在實際安裝過程中，可以利用軸的連接方式和扭矩傳感器的本身長度來對驅動電機和負載之間的距離進行有效確定，從而可以有效實現對驅動電機和負載的軸線之間距離的調整，也就是兩者對于基準面距離的調整，一般情況下，兩者之間的軸線的同軸度是需要小于Ф0.03mm的，需要將其固定在驅動電機和負載的基準面之上的。另外一方面，扭矩傳感器在安裝的過程當中，外界的環境溫度需要保持在0～60℃的范圍之間，相對的濕度要小于90%，并且在安裝的過程中不可以出現易燃和易爆物品。

結語

綜上所述，在傳統四足機器人的結構方面的不足的基礎上，根據現實生活中的實際需求來設計出一套嶄新的步行機器人的結構，在本文的敘述中，充分地將平面并聯無桿機構的應用原理應用在步行機器人的機構中，利用軸傳動來對機器人本身的步行進行驅動，并且在進行行走的過程中可以利用動態扭矩傳感器來對周圍的情況進行充分感知，最終達到步行控制的目標。

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