四足机器人结构设计研究

四足机器人结构设计研究四足机器人结构设计研究 2016/09/14 摘要：随着机器人技术的不断发展，我国发明的步行机器人的应用得到了广泛地应用，步行机器人属于一种集仿生学、机械工程学以及控制工程学等多种学科为一体的一项研究实体，是一个典型的多变量、飞翔性以及结构复杂的动力学系统，在四足机器人的研究过程中，姿态结构的不稳定以及产生稳定步行的运动已经成为了必须解决的动态平衡问题。本文首先对四足机器人的本体结构设计进行了分析；其次针对现有的步行机器人在实际研究和应用中存在的一些问题进行了分析。关键词：四足；步行机器人；结构设计在现阶段中，机器人的主要的移动方式包括轮式、履带式和足式，其中采用轮式和履带式的机器人在穿越障碍的能力方面是相对较弱的，因此运动方面的灵活性也就不能进行充分地展示。在此基础上，四足机器人的步行腿就可以具有多个自由度的特点，在落足点方面是比较分散的，因此可以在足尖点可以控制的范围之内进行灵活调整行走的步态，在穿越障碍和规避障碍的能力方面是相对较强的。一、四足机器人的本体结构设计1.机构模型的建立和简化在四足哺乳动物中，腿部是由5个部分来共同组成的，利用和躯干之间的有效连接，实现对腿部的控制，从而完成行走的活动，在每一个关节当中都拥有13个之间的自由度，可以使其在运动的时候进行灵活和敏捷地运行。在机械的控制和复杂方面，要想完全模仿四足生物来进行机器人的行走，是有一定程度的难度的。只能在保证机器人可以灵活运动的前提下，最大程度地降低机械控制的复杂程度。四足机器人由步行腿和侧摆、大腿和小腿3个部分构成，躯体和侧摆、侧摆和大腿、大腿和小腿之间由于需要转动进而形成关节的连接，在每一个关节处都需要有一个自由度。2.自由度的确定四足机器人在进行的过程中，步行腿的运行可以分为两种状态，分别是摆动状态和支撑状态。在进行摆动状态的时候，步行腿就和连杆之间就会形成一种在串联基础上的空间开链式的结构，此时的步行腿的自由度和关节数量是一致的。在支撑状态中，地面就成为了并联机构的机架，可以简单地认为是和地面组成的一种球关节的状态。二、四足步行机器人整体结构设计1.方案设计在传统步行机器人的设计基础上，结合设计的具体要求，对四足机器人的整体设计进行了分析，在本文的机器人设计中，需要将平面并联无杆机构的方式应用在机器人当中的步行机构中，利用传动轴来进行驱动，以此来作为混合驱动的输入源进行驱动；在对外界的感知方面，利用和传动轴一同安装的动态扭矩传感器来获取，主要用于监控步行机构驱动关节的驱动扭矩。在整体的设计中，需要将驱动电机、扭矩传感器以及控制电路进行密封在机器人的体内，从而实现控制系统和外界介质之间的有效隔离。最终的步行机器人单足结构如图1所示。2.结构设计在本文中所涉及的步行机器人的总体结构是对称形式的机器人，首先需要对机器人的另建模型进行建立，在对结构进行分析和建模的时候需要对单只腿的机构以及驱动方式进行分析，就可以对该四足步行机器人的整体行走结构进行了解。在对该机器人步行单足机构模型进行建立的时候，第一步需要将步行机构的模型建立，一般情况下，步行机构是由并联驱动平面无杆机构来共同组成的，因此在进行模型建立的过程中，需要将并联无杆机构的可动性能进行充分满足的基础上，并且对其进行优化建立，再根据机器人的整体步行的实际情况，从而将该机器人的步行机构的三维模型进行建立。在传动轴的设计方面，传动轴首先需要和步行机构中的驱动关节进行连接，在连接的过程中，一般情况下采用的是键槽式周向固定和轴肩以及螺纹旋紧式的轴向固定方式；与此同时，还需要至少一个轴承座来进行固定，利用轴承座和动态扭矩传感器之间的轴向进行连接。在密封轴套的设计方面，为了充分保证传动的效率能够最大程度地提升，在旋转轴和机壳之间必须留有一定的间隙，可以使得外界的介质能够渗入到其中。轴套在安装时需要和转动轴一起安装，因此在轴套的内圈内存在一个密封圈的轨道，可以在轨道内将旋转轴的周围进行包围，并且进行紧密地接触，利用此种方式来防止外界介质的渗入。最后就需要对模型的单元件进行装配，包括控制元器件、动态扭矩传感器、联轴器以及驱动电机等，在进行装配的过程中，值得注意的是同轴安装，可以对传动轴的传动效率起到重要的作用，直接影响传动执行的效率问题。另外，同轴的安装还对密封的性能起着决定的作用。密封轴套主要是利用密封圈和旋转轴之间的紧密接触来达到密封的效率，因此同轴度的安装对于密封均匀性的问题是有着相当大的关系的。与此同时，同轴度的安装对于传感器的数据采集也有着相当大的影响，在动态扭矩传感器进行实时监测的过程中，驱动关节就会收到驱动扭矩传感器对于周围相关数据信息的情况，如果是在同轴度不好的情况下，也会对扭矩传感器的驱动产生一定的波动影响，从而影响传感器的性能。模型装配的原理示意图如图2所示。3.传感器的安装在进行结构设计的过程中，需要将动态扭矩的传感器安装在驱动电机和轴承座之间，从而实现利用刚性联轴器和传动轴和电机的输出轴向之间的有效连接。在进行安装时需要注意的是安装同轴度的问题，同轴度的安装质量好坏可以对传感器的功能是否可以有效实现产生最直接的关系，并且也可以对测量的准确性进行充分地展示。在实际安装过程中，可以利用轴的连接方式和扭矩传感器的本身长度来对驱动电机和负载之间的距离进行有效确定，从而可以有效实现对驱动电机和负载的轴线之间距离的调整，也就是两者对于基准面距离的调整，一般情况下，两者之间的轴线的同轴度是需要小于0.03mm的，需要将其固定在驱动电机和负载的基准面之上的。另外一方面，扭矩传感器在安装的过程当中，外界的环境温度需要保持在060的范围之间，相对的湿度要小于90%，并且在安装的过程中不可以出现易燃和易爆物品。三、结语综上所述，在传统四足机器人的结构方面的不足的基础上，根据现实生活中的实际需求来设计出一套崭新的步行机器人的结构，在本文的叙述中，充分地将平面并联无杆机构的应用原理应用在步行机器人的机构中，利用轴传动来对机器人本身的步行进行驱动，并且在进行行走的过程中可以利用动态扭矩传感器来对周围的情况进行充分感知，最终达到步行控制的目标。参考文献：1于浩.液压四足机器人的结构设计与分析D.南京航空航天大学，2012.2李贻斌，李彬，荣学文，等.液压驱动四足仿生机器人的结构设计和步态规划J.山东大学学报：工学版，2011，41（5）：32-36，45.3段清娟，张锦荣，王润孝，等.基于虚拟样机技术的四足机器人结构设计J.机械科学与技术，2008，27（9）：1171-1174.4马宗利，李华，王建明，等.四足机器人结构设计与仿真分析J.机械设计，2012，29（7）：34-37，42.5马宗利，朱彦防，刘永超，等.四足机器人新型节能腿的设计与分析J.东北大学学报（自然科学版），2016，37（4）：543-547，553.