四足步行機器人結構設計分析

摘 要：四足機器人應用領域十分廣泛，具有非常強的環境適應能力，可以在搶險救災與軍事反恐等領域發揮積極重要的作用。四足機器人步行運動結構設計，相對于傳統輪式機械可以靈活完成攀登、地面支撐與障礙跨越等動作。但在目前的實際研究應用中，四足機器人步行機構還存在一些問題，控制系統也極易受到破壞。因此，本文結合四足步行機器人研究現狀，從監測傳感器和步行結構設計角度，提出了相應的優化建議。

關鍵詞：五桿機構；動態扭矩傳感器；監測原理

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.10.129

0 前言

四足步行機器人涉及控制工程學、仿生學以及機械工程學等研究領域，在各領域的實踐應用中可完成跋涉沼澤、跳躍障礙、攀登階梯等動作，具有極強的環境適應性。由于機器人一項涉及多種學科理論和研究領域的復雜結構動力系統，對傳統輪式機械運動具有無可比擬的優勢。但開發設計適應多環境的步行機器是一個長期的復雜工程。目前，關于步行機器人的行走能力控制，還具有一定的額局限性。因此，本文在總結機器人現行結構設計的基礎上，對四足步行機器人的結構設計優化進行了探討。

1 四足步行機器人研究現狀

四足步行機器人具有廣泛的應用價值和應用優勢，尤其是針對工程、軍事、搶險、反恐等特殊環境領域，存在巨大的價值優點。美國Shigley在二十世紀六十年代就研究設計了四足輪式步行車，這種機械主要是基于凸輪連桿機構進行研發設計，環境適應性和步行效率都較低較差；日本Shigeo HIROSE研制的TITAN系列四足步行機器人，應用了開環連桿機構，并安裝有傳感器與技術合金，可以自動檢測地面情況，能夠實現避開障礙物的功能在陡峭的地方步行；國內清華大學應用平面四桿縮放機構，研制了QW-1四足步行機器人，通過動物運動機理的模擬，可以實現避障、上坡、下坡，應對復雜地形條件，具有較強的環境適應能力和穩定的步行節律運動。雖然各國步行機器人具有非常的先進技術和應用優勢，但并沒有獲得廣泛應用，例如，火山探測與水下步行機器人只應用在一些特殊環境，其控制方式與步行結構設計存在一定的特殊性和局限性。

2 四足步行機器人結構設計分析

2.1 機器人結構對步行軌跡的影響

四足步行機器人的傳統輸出軌跡只能執行固定行走軌跡，主要采用的是平面四桿機構，跨步時存在一定的死點，造成軌跡固定影響跨越障礙能力。傳統步行機器人行走軌跡主要受控制系統影響，如果控制系統受到風雨的侵襲和惡劣環境就會受到嚴重的破壞。傳統機器人步行結構的開關環節主要采用串聯機構，造成軌跡運動誤差大，控制系統的精準性差。其次，監測傳感器安裝是影響機器人跨越障礙的重要功能，可實時監測機器人的行走狀態，傳感器安裝方式決定了機器人足端視覺圖信號，影響著機器人的避障功能。步行機器人的機體結構也就是指機器人的控制系統，是機器人功能的保證基礎，但機器人在實際應用中，經常會涉及到惡劣環境，無論是在水下作業還是沙漠探測，都會對控制系統產生影響。所以要將與外界介質隔離。

2.2 四足步行機器人結構設計優化

通過對傳統機器人機構設計的分析探討可以看出，傳統機器人行走軌跡主要受到，步行結構、監測傳感器安裝方式和控制系統的影響。因此，優化設計方案需要保證以下三點：第一步行機構優化，為了使機器人具備良好的避障功能，要讓步行機構具備柔性與靈活性；第二監測傳感器優化，確保傳感器安裝在實現與外界介質隔離的基礎上，能夠較為全面的獲取地面周圍情況；第三機體結構優化，在確保步行穩定驅動的基礎上，增強環境適應性實現與外界介質的隔離。

綜上以上設計方案標準，四足步行機器人步行設計，可以應用平面并聯五桿機構，傳感器安裝要與傳動軸同軸，并選用動態扭矩傳感，確保監測與步行驅動關節扭矩同步，步行機器人控制系統密封裝配機體，確保與外界介質隔離。裝配過程中要實現同軸安裝，確保傳動軸體的傳動效率，這樣在控制系統發出指令后，可實現與機器人驅動同步，極大的提高了傳動執行的效率。執行優化方案后控制系統密封裝配在機體中，并應用動態扭矩傳感器，監測步行機構驅動，當機器人的足端處于懸空時，驅動關節的扭矩處于穩定狀態，機器人足端接觸地面或碰到物體障礙時，驅動關節會產生突變力矩，監測傳感器的安裝要在軸承座與驅動電機之間，通過監測驅動關節的扭矩，獲取機器人足端地面情況反饋，利用動態扭矩傳感器提高機器人步行控制的穩定性，同時機器人采用平面并聯五桿，極大的提高了跨步能力，并使機器人足端的輸出軌跡具備調節性，提高了機器人對行走環境的適應性。

3 結語

綜上所述，四足機器人的研究應用，可以投入到搶險救災和軍事反恐等各個領域，具有非常廣闊的發展前景，但傳統步行機器人結構設計在實際應用中還存的一些問題，在步行機構與監測傳感器安裝等方面，還具有一定的不足，難以對機器人進行活動關節的精確控制。因此，本文基于機器人結構對各項性能的影響，對機器人結構進行了重新優化，使機器人步行更具有柔性，有效實現了步行靈活跨越障礙的能力。

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作者簡介：李巖（1998-），男，山東寧陽人，本科在讀，研究方向：機械設計。