四足步行机器人结构设计研究

四足步行机器人结构设计研究四足步行机器人结构设计研究 2019/04/16 摘要：四足机器人应用领域十分广泛,具有非常强的环境适应能力,可以在抢险救灾与军事反恐等领域发挥积极重要的作用。四足机器人步行运动结构设计,相对于传统轮式机械可以灵活完成攀登地面支撑与障碍跨越等动作。但在目前的实际研究应用中,四足机器人步行机构还存在一些问题,控制系统也极易受到破坏。因此,本文结合四足步行机器人研究现状,从监测传感器和步行结构设计角度,提出了相应的优化建议。关键词：五杆机构；动态扭矩传感器；监测原理前言四足步行机器人涉及控制工程学、仿生学以及机械工程学等研究领域,在各领域的实践应用中可完成跋涉沼泽、跳跃障碍、攀登阶梯等动作,具有极强的环境适应性。由于机器人一项涉及多种学科理论和研究领域的复杂结构动力系统,对传统轮式机械运动具有无可比拟的优势。但开发设计适应多环境的步行机器是一个长期的复杂工程。目前,关于步行机器人的行走能力控制,还具有一定的额局限性。因此,本文在总结机器人现行结构设计的基础上,对四足步行机器人的结构设计优化进行了探讨。1四足步行机器人研究现状四足步行机器人具有广泛的应用价值和应用优势,尤其是针对工程、军事、抢险、反恐等特殊环境领域,存在巨大的价值优点。美国Shigley在二十世纪六十年代就研究设计了四足轮式步行车,这种机械主要是基于凸轮连杆机构进行研发设计,环境适应性和步行效率都较低较差;日本ShigeoHIROSE研制的TITAN系列四足步行机器人,应用了开环连杆机构,并安装有传感器与技术合金,可以自动检测地面情况,能够实现避开障碍物的功能在陡峭的地方步行;国内清华大学应用平面四杆缩放机构,研制了QW-1四足步行机器人,通过动物运动机理的模拟,可以实现避障、上坡、下坡,应对复杂地形条件,具有较强的环境适应能力和稳定的步行节律运动。虽然各国步行机器人具有非常的先进技术和应用优势,但并没有获得广泛应用,例如,火山探测与水下步行机器人只应用在一些特殊环境,其控制方式与步行结构设计存在一定的特殊性和局限性。2四足步行机器人结构设计分析2.1机器人结构对步行轨迹的影响四足步行机器人的传统输出轨迹只能执行固定行走轨迹,主要采用的是平面四杆机构,跨步时存在一定的死点,造成轨迹固定影响跨越障碍能力。传统步行机器人行走轨迹主要受控制系统影响,如果控制系统受到风雨的侵袭和恶劣环境就会受到严重的破坏。传统机器人步行结构的开关环节主要采用串联机构,造成轨迹运动误差大,控制系统的精准性差。其次,监测传感器安装是影响机器人跨越障碍的重要功能,可实时监测机器人的行走状态,传感器安装方式决定了机器人足端视觉图信号,影响着机器人的避障功能。步行机器人的机体结构也就是指机器人的控制系统,是机器人功能的保证基础,但机器人在实际应用中,经常会涉及到恶劣环境,无论是在水下作业还是沙漠探测,都会对控制系统产生影响。所以要将与外界介质隔离。2.2四足步行机器人结构设计优化通过对传统机器人机构设计的分析探讨可以看出,传统机器人行走轨迹主要受到,步行结构、监测传感器安装方式和控制系统的影响。因此,优化设计方案需要保证以下三点:第一步行机构优化,为了使机器人具备良好的避障功能,要让步行机构具备柔性与灵活性;第二监测传感器优化,确保传感器安装在实现与外界介质隔离的基础上,能够较为全面的获取地面周围情况;第三机体结构优化,在确保步行稳定驱动的基础上,增强环境适应性实现与外界介质的隔离。综上以上设计方案标准,四足步行机器人步行设计,可以应用平面并联五杆机构,传感器安装要与传动轴同轴,并选用动态扭矩传感,确保监测与步行驱动关节扭矩同步,步行机器人控制系统密封装配机体,确保与外界介质隔离。装配过程中要实现同轴安装,确保传动轴体的传动效率,这样在控制系统发出指令后,可实现与机器人驱动同步,极大的提高了传动执行的效率。执行优化方案后控制系统密封装配在机体中,并应用动态扭矩传感器,监测步行机构驱动,当机器人的足端处于悬空时,驱动关节的扭矩处于稳定状态,机器人足端接触地面或碰到物体障碍时,驱动关节会产生突变力矩,监测传感器的安装要在轴承座与驱动电机之间,通过监测驱动关节的扭矩,获取机器人足端地面情况反馈,利用动态扭矩传感器提高机器人步行控制的稳定性,同时机器人采用平面并联五杆,极大的提高了跨步能力,并使机器人足端的输出轨迹具备调节性,提高了机器人对行走环境的适应性。3结语综上所述,四足机器人的研究应用,可以投入到抢险救灾和军事反恐等各个领域,具有非常广阔的发展前景,但传统步行机器人结构设计在实际应用中还存的一些问题,在步行机构与监测传感器安装等方面,还具有一定的不足,难以对机器人进行活动关节的精确控制。因此,本文基于机器人结构对各项性能的影响,对机器人结构进行了重新优化,使机器人步行更具有柔性,有效实现了步行灵活跨越障碍的能力。参考文献:1高建设,王玉闯,刘德平.新型四足步行机器人串并混联腿的轨迹规划与仿真研究J.郑州大学学报:工学版,2018,39(02):23-27.2张云,郭振武,陈迪剑.基于Kimura振荡器和虚拟模型的气动肌肉四足机器人步态控制J.兵工学报,2018,v.39;No.256(07):166-173.3刘彩霞,方建军,刘艳霞.基于多类特征融合的极限学习在四足机器人野外地形识别中的应用J.电子测量与仪器学报,2018.