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四足步行机器人结构设计研究

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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Shigeo HIROSE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.

作者:李岩 单位:重庆大学弘深学院

四足步行机器人结构设计研究责任编辑:张雨    阅读:人次