單腿子系統機器人液壓缸設計研究

曾磊

摘 要：當前，足式機器人成為機器人領域中的一個重要研究方向，對其液壓缸設計展開研究十分必要。本文對足式機器人單腿子系統仿真實驗進行了分析，并介紹了單腿子系統機器人的液壓缸設計，以期能為類似機器人液壓缸設計提供參考。

關鍵詞：單腿機器人；液壓缸；設計

引言

隨著科學的發展以及技術的不斷進步，機器人作為機電液一體化技術的典型產品，得到了迅猛的發展，并逐漸在日常生活生產以及工業中得到推廣應用。其中，足式機器人是一個重要的分支，具有良好的環境適應能力，是機器人領域研究的重要方向。而液壓驅動相對于電氣驅動，具有更大的功率質量比，在機器人驅動系統中具有良好的應用價值。

1.足式機器人單腿子系統仿真實驗

通過Adams建立單腿子系統虛擬樣機模型，該機器人腿部結構有髖關節和膝關節兩個自由度，整個機器人由機身，大腿，小腿，液壓缸以及連桿機構所組成，機器人由位于機身的兩個并聯液壓缸驅動，液壓缸近似水平豎直布置。

單腿子系統虛擬樣機各關節構件參數如表1所示。

本文應用MATLAB/Simulink模塊搭建機器人控制系統，如圖1所示。Adams模塊與控制模塊互相傳輸數據，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參數。

通過仿真實驗得到本文液壓缸設計所需的數據結果，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2所示。從仿真結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。

2.液壓缸設計以及伺服閥的選型

由于液壓缸經常做等速往復運動，根據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徑，考慮到減重要求，本文選用缸筒內徑為28mm。

然后根據液壓缸受力情況選擇液壓缸活塞桿直徑。根據仿真結果，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：

其中，D為液壓缸缸筒內經，d為活塞桿外徑，ps為工作壓力，Fmax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，根據液壓缸活塞桿直徑國家系列標準，經過圓整，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Qx，Qy，根據運動學解算得到水平與豎直液壓缸鉸接點坐標為，Qx，Qy設水平液壓缸與機身連接點坐標為Q1x，Q1y，豎直液壓缸與機身連接點坐標為Q2x，Q2y，則水平與豎直液壓缸長度計算公式如下：

根據計算結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液壓缸的流量來選取。下面分別根據式（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3所示。

由上述仿真實驗結果可知，水平液壓缸最大速度約為2m/s，根據式（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，根據公式計算得到最大空載流量為34L/min。

根據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。

根據計算得到的液壓缸參數以及選用的伺服閥進行液壓缸結構設計，分別設計了水平液壓缸與豎直液壓缸。

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，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。

4.結語

綜上所述，液壓缸能夠將液壓轉變為機械能，做直線往返運動，具有結構簡單、工作可靠的特點，在單腿機器人中得到廣泛應用。本文根據單腿子系統仿真實驗得到的液壓缸設計參數，對液壓缸的結構進行了設計，通過分析驗證該液壓缸滿足機器人的應用需求，對類似設計具有一定的參考價值。

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