四足步行機器人結構設計研究

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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

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:李巖 單位:重慶大學弘深學院