仿生四足机器狗结构设计与分析

摘要：仿生学（bionics）在具有生命之意的bion上，加上有工程技术涵义的ics而组成的词。生物具有的功能比任何人工制造的机械都优越得多，仿生学就是在工程上实现并有效地应用生物功能的一门学科。例如关于信息接受（感觉功能）、信息传递（神经功能）、自动控制系统等，这种生物体的结构与功能在机械设计方面给了很大启发。仿生学也被认为是与控制论有密切关系的一门学科，而控制论主要是将生命和机械原理加以比较，进行研究和解释的一门学科。仿生学研究生物体的结构、功能和工作原理，并将这些原理移植于工程技术之中，发明性能优越的仪器、装置和机器，创造新技术。从仿生学的诞生、发展，到现在短短几十年的时间里，它的研究成果已经相当客观。仿生学的问世开辟了独特的技术发展道路，也就是向生物界索取蓝图的道路，它大大开阔了人们的眼界，显示了极强的生命力。

关键词：仿生；四足；机器狗

中图分类号：S611文献标识码： A

1 引言

地球表面多为崎岖不平的地面，仅仅依靠轮式机械无法完全实现在这些自然环境中行走。因此，设计和制造一种类似动物能够适应各种不平地面和恶劣环境的机器人，一直是我们追求的目标。目前机器人按行走方式类型可分为轮式、履带式和足式，仿生足式机器人具有运动灵活和良好的地形适应能力特点。正是基于此，仿生足式机器人的研究成为机器人研究领域的热点之一。仿生多足机器人是模仿多足动物运动形式的特种机器人，是一种足式移动机构。所谓多足是指四足以上，常见的多足机器人包括四足机器人、六足机器人和八足机器人[1]。其中四足机器人由于既有超过二足机器人的平稳性又避免了六足机器人机构的冗余性和复杂性，在工程探险、反恐防爆、军事侦察等领域具有良好的应用前景，开展该方面的研究具有重要的实际应用价值及社会意义[2]。

2机械结构分析与设计

足式机器人的运动实质上是有图2-1中XOY平面上的EF，IG，JH之间的滑块机构和AE之间的转动副，驱动AB杆绕A点转动，BC杆绕B点转动，CD绕C点转动，AE绕Z轴转动，从而使D点相对地面运动，达到行走目的[3]。三个滑块机构没有直接与AB，BC，CD杆件相连，而是与AB，BC，CD三杆的侧向延长点连接，主要是为了避免当AB杆与AE杆、AB杆与BC杆、BC杆与CD杆处于同一直线所产生的奇异现象。在机构分析中，不需要考虑各杆件的质量，具体机械结构和强度，只对杆件作位移、速度和加速度分析。足式机器人腿部的机构学分析主要为运动学正解和运动学反解两部分。运动学正解是为设计腿部的机械零件提供必要的参数依据。运动学反解用以验证运动学正解的结果，并为腿部的实际运动控制提供计算依据。

图2-1四足机器人腿部机构简图

2.1自由度的配置

自由度的配置参看图2-1中。其中，沿着机器狗中轴线运动的方向有4个自由度，其中三个带有驱动，另外一个冗余自由度； 垂直于相应方向有一个自由度。

2.2机构分析与设计

首先定义AB的长度为, BC的长度为，CD的长度为，AB与AE的夹角为α，AB与BC的夹角为β，BC与CD的夹角为γ，AE绕X轴的转角为θ，如图2-1所示。由于AE与足式机器人的机身想连接，为了分析方便，假设机身保持固定，即AE只绕X轴转动，而无其它任何平动和转动，同时忽略CD之间的滑块机构的运动（选用阻尼器可实现）。

由于机器人腿部的驱动机构为滑块机构，因此可以推到α，β，γ，θ与EF，IG，JH，PQ长度之间的关系如下：

式中，为4个滑块的长度，为变量。π/4是为了避免出现奇异，对AB， BC，CD 3个杆件侧向延长所产生的。

运动学正解主要是定义驱动的运动规律计算图2-1中D点的运动轨迹、速度和加速度。设D点的坐标为（），由几何关系可得：

式表示了D点坐标与α，β，γ，θ角速度之间的变化关系。定义驱动机构，即滑块机构的运动规律，结合式，由式可计算出D运动是的坐标。

速度方程反映了D点速度与α，β，γ，θ角速度之间的关系。可由式等式两侧对时间求导计算出。设X，Y均为变量，且符合Y=F(X), 则：

，

式中，偏导函数构成的矩阵为雅可比矩阵。

因此，速度方程可以用雅可比矩阵形式表示出，如所示：

=

式中，矩阵中的各元素如下所示：

此外，还需研究液压缸驱动速度与α，β，γ，θ角速度之间的关系，由式得：

式中，，，，为各缸的运动速度。表明了关节角速度与液压缸速度之间的关系，实际上关节驱动力矩与液压缸输出力也成类似关系。该式表明当α=β=γ=45，和θ=90时，腿部机构出现奇异情况，当然由于实际液压缸行程的限制，并不会出现这种情况。如果液压缸直接与AB，BC，CD杆件连接，即杆件无侧向延长，则出现奇异情况，除非限制液压缸的行程，但无法满足运动要求。结合式和式，可由驱动机构的速度计算出D点的速度。

式为速度方程，等式两边同时对时间求导，可得加速度方程，展开表示为如下：

式中，L和L对时间的一阶，二阶倒数如下所示：

由式，，可知，对于给定的三个滑块机构及转动副的驱动规律，结合式可得到α，β，γ，θ的运动规律，因此可确定唯一的D点的位移、速度和加速度。

运动学反解主要是通过定义图2-1中D点运动轨迹计算各驱动的运动规律，与正解相反。设D点坐标已知，即式中的，，己知α，β，γ，θ待求。显然，由于3个方程4个未知数，其解理论上为无穷多组。为了求解方便，不妨假设a保持不变，即EF之间的滑块驱动静止。因此由式可先求出θ:

式整理得到如下表达式：

式消元并求解，可得:

式中，α，β，γ，θ，ψ符合如下关系：

，，，，

由上述的反解结果，即式和式可知，由可以确定θ，且为唯一解，由，可以得到α，β，γ的无穷多组解。由于实际中驱动机构为滑块机构，因此结合式，可以得到实际驱动的运动规律，即FE，IG，JH，PQ的长度变化规律。该结果将用于机器人腿部的运动控制。

上述分析结果又一次表明了机器人腿部为冗余系统，即可以通过组合不同的FE，IG，JH处滑块的驱动规律，得到D点相同的关于，运动规律。这为设计机器人腿部驱动规律提供了很大的弹性，即可以根据能耗最低的方式，也可以根据外负载最大，或抗外部扰动力最大等方式来确定一组关于FE，IG，JH处滑块的驱动规律关系式，并结合式设计驱动规律，但得到的都是相同的机器人运动规律。这就是将机器人腿部设计为冗余系统的重要原因。

3整体方案设计

一个完整的液压系统主要包括能源装置，执行装置，控制调节装置及其它相关和必要的辅助装置[4]。

执行装置实现将油液的液压能转换为机械能。主要的执行装置有液压缸、摆动缸和液压马达。如果采用摆动摆动缸和液压马达作为执行元件，则可以安装在图 中的A，B，C处。但是由于目前市场上摆动缸和液压马达重量和体积均较大，容易是足式机器人的整体重量超标，对负载能力产生负面影响。因此，执行元件采用液压缸。由于液压缸往返方向的速度和输出力不需要相同，因此采用单杆活塞双作用液压缸。

辅助装置包括蓄能器、滤油器、密封件、油箱、热交换器、管路、管接头及阀块[5]等。这些元件在液压系统中起辅助作用，也是不可或缺的，用以保证系统有效、安全地工作。蓄能器的作用为：作辅助动力源；吸收液压冲击和消除压力脉动；维持系统恒压和补充泄露。滤油器的功能是过滤混在液压油液中的杂质，保证系统正常地工作。

在图中，由于机器人腿部共有4个主动自由度，因此，采用4个双作用单

活塞杆液压缸作驱动，4个电液伺服阀分别控制液压缸的运动，在进油口处装有一精滤油器。液压泵为单作用变量叶片泵，由交流电机驱动，在吸油口出装有滤油器，防止杂质对液压泵造成损坏。精滤油器和液压泵之间装有一单向阀，主要是防止液压油倒流。溢流阀是为了当系统压力超过限制时，起安全作用。蓄能器作应急供油作用。回油管路接滤油器，吸收杂质，防止流到油箱，同时装有2个单向阀，防止液压油倒流，以及滤油器堵塞时，能正常回油。冷却形式为风冷。压力表显示系统工作时，压力状态。

图3-1 液压系统原理图

4总结

本文着重研究足式机器人腿部的机械结构和液压系统设计。首先针对足式机器特点，提出了自由度设置，设计了腿部机构简图方案，根据机构简图对腿部进运动学正解和反解分析，并且对其驱动系统进行了设计。

参考文献

[1] 罗庆生 韩宝玲 现代仿生机器人设计 [M]. 北京：电子工业出版社，2008：6.

[2] 黄博. 四足机器人行走步态及CPG控制研究 [D]．哈尔滨：哈尔滨工业大学，2007

[3] 张鹏翔. 液压驱动的足式机器人腿部结构设计与研究 [D] 北京邮电大学硕士论文.

[4] 邓乐主编.液压传动IMI，第1版. 北京邮电大学出版社，2010年

[5] 陆敏询，李万莉主编. 流体力学与液压传动〔M]. 第1版.同济大学出版社，2006年

[作者简介] 陈立坡(1983―)，92785部队助理工程师，研究方向为转台机械设计、控制系统设计以及冗余控制等等。