四足步行機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

摘 要：四足機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，具有非常強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，可以在搶險(xiǎn)救災(zāi)與軍事反恐等領(lǐng)域發(fā)揮積極重要的作用。四足機(jī)器人步行運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，相對(duì)于傳統(tǒng)輪式機(jī)械可以靈活完成攀登、地面支撐與障礙跨越等動(dòng)作。但在目前的實(shí)際研究應(yīng)用中，四足機(jī)器人步行機(jī)構(gòu)還存在一些問題，控制系統(tǒng)也極易受到破壞。因此，本文結(jié)合四足步行機(jī)器人研究現(xiàn)狀，從監(jiān)測(cè)傳感器和步行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度，提出了相應(yīng)的優(yōu)化建議。

關(guān)鍵詞：五桿機(jī)構(gòu)；動(dòng)態(tài)扭矩傳感器；監(jiān)測(cè)原理

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

0 前言

四足步行機(jī)器人涉及控制工程學(xué)、仿生學(xué)以及機(jī)械工程學(xué)等研究領(lǐng)域，在各領(lǐng)域的實(shí)踐應(yīng)用中可完成跋涉沼澤、跳躍障礙、攀登階梯等動(dòng)作，具有極強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。由于機(jī)器人一項(xiàng)涉及多種學(xué)科理論和研究領(lǐng)域的復(fù)雜結(jié)構(gòu)動(dòng)力系統(tǒng)，對(duì)傳統(tǒng)輪式機(jī)械運(yùn)動(dòng)具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)。但開發(fā)設(shè)計(jì)適應(yīng)多環(huán)境的步行機(jī)器是一個(gè)長(zhǎng)期的復(fù)雜工程。目前，關(guān)于步行機(jī)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(jié)機(jī)器人現(xiàn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)四足步行機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化進(jìn)行了探討。

1 四足步行機(jī)器人研究現(xiàn)狀

四足步行機(jī)器人具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，尤其是針對(duì)工程、軍事、搶險(xiǎn)、反恐等特殊環(huán)境領(lǐng)域，存在巨大的價(jià)值優(yōu)點(diǎn)。美國(guó)Shigley在二十世紀(jì)六十年代就研究設(shè)計(jì)了四足輪式步行車，這種機(jī)械主要是基于凸輪連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行研發(fā)設(shè)計(jì)，環(huán)境適應(yīng)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(jī)器人，應(yīng)用了開環(huán)連桿機(jī)構(gòu)，并安裝有傳感器與技術(shù)合金，可以自動(dòng)檢測(cè)地面情況，能夠?qū)崿F(xiàn)避開障礙物的功能在陡峭的地方步行；國(guó)內(nèi)清華大學(xué)應(yīng)用平面四桿縮放機(jī)構(gòu)，研制了QW-1四足步行機(jī)器人，通過動(dòng)物運(yùn)動(dòng)機(jī)理的模擬，可以實(shí)現(xiàn)避障、上坡、下坡，應(yīng)對(duì)復(fù)雜地形條件，具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力和穩(wěn)定的步行節(jié)律運(yùn)動(dòng)。雖然各國(guó)步行機(jī)器人具有非常的先進(jìn)技術(shù)和應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，但并沒有獲得廣泛應(yīng)用，例如，火山探測(cè)與水下步行機(jī)器人只應(yīng)用在一些特殊環(huán)境，其控制方式與步行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在一定的特殊性和局限性。

2 四足步行機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

2.1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)對(duì)步行軌跡的影響

四足步行機(jī)器人的傳統(tǒng)輸出軌跡只能執(zhí)行固定行走軌跡，主要采用的是平面四桿機(jī)構(gòu)，跨步時(shí)存在一定的死點(diǎn)，造成軌跡固定影響跨越障礙能力。傳統(tǒng)步行機(jī)器人行走軌跡主要受控制系統(tǒng)影響，如果控制系統(tǒng)受到風(fēng)雨的侵襲和惡劣環(huán)境就會(huì)受到嚴(yán)重的破壞。傳統(tǒng)機(jī)器人步行結(jié)構(gòu)的開關(guān)環(huán)節(jié)主要采用串聯(lián)機(jī)構(gòu)，造成軌跡運(yùn)動(dòng)誤差大，控制系統(tǒng)的精準(zhǔn)性差。其次，監(jiān)測(cè)傳感器安裝是影響機(jī)器人跨越障礙的重要功能，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)器人的行走狀態(tài)，傳感器安裝方式?jīng)Q定了機(jī)器人足端視覺圖信號(hào)，影響著機(jī)器人的避障功能。步行機(jī)器人的機(jī)體結(jié)構(gòu)也就是指機(jī)器人的控制系統(tǒng)，是機(jī)器人功能的保證基礎(chǔ)，但機(jī)器人在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常會(huì)涉及到惡劣環(huán)境，無論是在水下作業(yè)還是沙漠探測(cè)，都會(huì)對(duì)控制系統(tǒng)產(chǎn)生影響。所以要將與外界介質(zhì)隔離。

2.2 四足步行機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

通過對(duì)傳統(tǒng)機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的分析探討可以看出，傳統(tǒng)機(jī)器人行走軌跡主要受到，步行結(jié)構(gòu)、監(jiān)測(cè)傳感器安裝方式和控制系統(tǒng)的影響。因此，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案需要保證以下三點(diǎn)：第一步行機(jī)構(gòu)優(yōu)化，為了使機(jī)器人具備良好的避障功能，要讓步行機(jī)構(gòu)具備柔性與靈活性；第二監(jiān)測(cè)傳感器優(yōu)化，確保傳感器安裝在實(shí)現(xiàn)與外界介質(zhì)隔離的基礎(chǔ)上，能夠較為全面的獲取地面周圍情況；第三機(jī)體結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在確保步行穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)上，增強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性實(shí)現(xiàn)與外界介質(zhì)的隔離。

綜上以上設(shè)計(jì)方案標(biāo)準(zhǔn)，四足步行機(jī)器人步行設(shè)計(jì)，可以應(yīng)用平面并聯(lián)五桿機(jī)構(gòu)，傳感器安裝要與傳動(dòng)軸同軸，并選用動(dòng)態(tài)扭矩傳感，確保監(jiān)測(cè)與步行驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)扭矩同步，步行機(jī)器人控制系統(tǒng)密封裝配機(jī)體，確保與外界介質(zhì)隔離。裝配過程中要實(shí)現(xiàn)同軸安裝，確保傳動(dòng)軸體的傳動(dòng)效率，這樣在控制系統(tǒng)發(fā)出指令后，可實(shí)現(xiàn)與機(jī)器人驅(qū)動(dòng)同步，極大的提高了傳動(dòng)執(zhí)行的效率。執(zhí)行優(yōu)化方案后控制系統(tǒng)密封裝配在機(jī)體中，并應(yīng)用動(dòng)態(tài)扭矩傳感器，監(jiān)測(cè)步行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)機(jī)器人的足端處于懸空時(shí)，驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的扭矩處于穩(wěn)定狀態(tài)，機(jī)器人足端接觸地面或碰到物體障礙時(shí)，驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)會(huì)產(chǎn)生突變力矩，監(jiān)測(cè)傳感器的安裝要在軸承座與驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間，通過監(jiān)測(cè)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的扭矩，獲取機(jī)器人足端地面情況反饋，利用動(dòng)態(tài)扭矩傳感器提高機(jī)器人步行控制的穩(wěn)定性，同時(shí)機(jī)器人采用平面并聯(lián)五桿，極大的提高了跨步能力，并使機(jī)器人足端的輸出軌跡具備調(diào)節(jié)性，提高了機(jī)器人對(duì)行走環(huán)境的適應(yīng)性。

3 結(jié)語

綜上所述，四足機(jī)器人的研究應(yīng)用，可以投入到搶險(xiǎn)救災(zāi)和軍事反恐等各個(gè)領(lǐng)域，具有非常廣闊的發(fā)展前景，但傳統(tǒng)步行機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中還存的一些問題，在步行機(jī)構(gòu)與監(jiān)測(cè)傳感器安裝等方面，還具有一定的不足，難以對(duì)機(jī)器人進(jìn)行活動(dòng)關(guān)節(jié)的精確控制。因此，本文基于機(jī)器人結(jié)構(gòu)對(duì)各項(xiàng)性能的影響，對(duì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新優(yōu)化，使機(jī)器人步行更具有柔性，有效實(shí)現(xiàn)了步行靈活跨越障礙的能力。

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作者簡(jiǎn)介：李巖（1998-），男，山東寧陽人，本科在讀，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)。