彭松濤，張文志，周 偉，杜 強(qiáng)

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

0 引言

機(jī)器人是一個(gè)集機(jī)電液于一體的產(chǎn)品，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和人們的日常生活中。其中的足式系列雖然只有近40年的歷史，但是由于它獨(dú)特的適應(yīng)性和擬人性，正成為機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向。

1968年美國首次設(shè)計(jì)制造的四足步行機(jī)器人以及完全由我國設(shè)計(jì)的萬向輪式移動機(jī)器人表明，對四足步行機(jī)器人的研究已取得了一系列重大的突破，四足式機(jī)器人具有良好的環(huán)境適應(yīng)性，能在山地、丘陵等復(fù)雜地形行走［1］。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成后，通常要制造樣機(jī)來驗(yàn)證設(shè)計(jì)，通過試驗(yàn)來找出缺陷，回頭再修改設(shè)計(jì)，并再制造物理樣機(jī)來試驗(yàn)。這既延長了設(shè)計(jì)周期，又增加了成本。目前更為有效的辦法是利用虛擬樣機(jī)技術(shù)來分析產(chǎn)品的各項(xiàng)性能。

利用Pro／E建立機(jī)器人的三維實(shí)體模型，如圖1所示。機(jī)器人的外形尺寸為1 800．0mm×1 120．0 mm×1 448．6mm。

圖1 機(jī)器人的實(shí)體模型

通過軟件建立機(jī)器人的三維實(shí)體模型可以全面地反映其幾何特性、尺寸大小、質(zhì)量分布、各幾何體之間的裝配關(guān)系、公差以及裝配時(shí)是否發(fā)生干涉現(xiàn)象等。

2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳動機(jī)構(gòu)是機(jī)器人的重要組成部分，其作用是將原動機(jī)提供的能量傳遞給工作機(jī)構(gòu)，來實(shí)現(xiàn)預(yù)定的運(yùn)動［2］。目前，機(jī)械行業(yè)中主要有電氣傳動、液壓傳動和氣壓傳動這3類方式。本例中采用液壓傳動方式。

液壓傳動中液壓系統(tǒng)基本上由能源元件、執(zhí)行元件、調(diào)節(jié)控制元件、輔助元件和工作介質(zhì)5部分組成。

首先，根據(jù)主機(jī)的運(yùn)動要求確定能源元件的類型，按照機(jī)械設(shè)計(jì)手冊選擇原動力機(jī)和液壓泵的類型。由于足式機(jī)器人實(shí)現(xiàn)的是獨(dú)立行走，因此原動力機(jī)一般為汽油機(jī)或是柴油機(jī)，根據(jù)設(shè)計(jì)的機(jī)器人的負(fù)載，采用柴油機(jī)為液壓泵提供動力。液壓泵可分為定量泵和變量泵，因此供油方式主要有定量變壓和恒壓變量兩種方式。由于恒壓變量供油能提高液壓系統(tǒng)的效率，減小液壓系統(tǒng)的體積和重量，因此足式機(jī)器人的液壓系統(tǒng)采用該種方式供油。液壓泵選擇單葉片泵［3］。

根據(jù)載荷初步選定液壓系統(tǒng)的工作壓力為p＝16 MPa，取外載荷F＝20kN，可得出液壓缸的外徑D＝圓整為40mm。

其次，是各種調(diào)節(jié)控制元件的選擇，主要有方向控制閥、壓力控制閥和流量控制閥。根據(jù)分析，機(jī)器人液壓系統(tǒng)主要是對液壓油流量進(jìn)行控制，因此采用流量控制閥比較合理。其原理是通過調(diào)節(jié)流量閥閥口通流面積的大小來改變流過閥口的液體流量［4］。其中，節(jié)流閥、調(diào)速閥、分流集流閥和限速關(guān)閉閥用的比較多。

根據(jù)速度比φ的要求計(jì)算活塞桿直徑d：

最后，確定輔助元件和工作介質(zhì)。輔助元件包括蓄能器、濾油器、密封件、油箱、熱交換器和管接頭等。這些元件在液壓系統(tǒng)中起到輔助作用，是不可或缺的，用以保證系統(tǒng)有效、安全地工作。蓄能器作為輔助動力源，吸收液壓沖擊和消除壓力脈動，維持系統(tǒng)恒壓和補(bǔ)充泄漏。油箱儲存油液，兼有散熱的功能。由于伺服系統(tǒng)對油液清潔度要求較高，因此需要采用精過濾器。

綜上所述，足式機(jī)器人的液壓系統(tǒng)是高效能的伺服系統(tǒng)。根據(jù)分析結(jié)果，設(shè)計(jì)其液壓系統(tǒng)原理圖，如圖2所示。

圖2 機(jī)器人液壓系統(tǒng)原理圖

由于機(jī)器人腿部有3個(gè)自由度，因此，我們決定采用3個(gè)液壓缸。3個(gè)電液伺服閥分別控制3個(gè)液壓缸的伸縮運(yùn)動。在進(jìn)油口處裝有1個(gè)精濾油器，由單項(xiàng)閥防止液壓油倒流。溢流閥的作用是防止系統(tǒng)壓力超過預(yù)先設(shè)定的壓力值。蓄能器起應(yīng)急供油作用。冷卻形式為風(fēng)冷，壓力表顯示系統(tǒng)在工作時(shí)的壓力值。

3 機(jī)器人直線行走步態(tài)仿真

將有關(guān)驅(qū)動函數(shù)導(dǎo)入虛擬樣機(jī)中，觀察機(jī)器人的運(yùn)動情況，得到機(jī)器人的仿真結(jié)果，如圖3所示。

圖3（a）為機(jī)器人機(jī)架偏離重心的仿真結(jié)果，可以看出，在5．5s時(shí)機(jī)器人的重心出現(xiàn)了比較大的波動，從ADAMS／View后處理模塊中可以得出其起伏的最大值約為50mm，該數(shù)據(jù)基本符合我們預(yù)先設(shè)定的范圍，比較理想。這種現(xiàn)象在實(shí)際運(yùn)行中是不可避免的，主要是由于機(jī)器人在前進(jìn)過程中足端和地面之間出現(xiàn)了打滑［5］。為解決該問題，目前普遍采用的方法是利用STEP5函數(shù)的插值，使機(jī)器人的重心在調(diào)整的過程中減少起伏。

圖3（b）為機(jī)器人在前進(jìn)方向上的速度曲線，機(jī)器人重心不動時(shí)其速度為0mm／s，在5．5s時(shí)機(jī)器人重心往右前方移動，使機(jī)器人出現(xiàn)了最大爬行速度86．5mm／s。當(dāng)一個(gè)步態(tài)周期結(jié)束后，根據(jù)機(jī)器人前進(jìn)的距離及步態(tài)周期，可以計(jì)算得到機(jī)器人的平均前進(jìn)速度為43．6mm／s。該速度值比較小，主要是由于我們設(shè)定的步態(tài)周期太長、步幅太小造成的，因此在控制樣機(jī)時(shí)，在路況允許的條件下可以通過減小步態(tài)周期及加大步幅的方法來提高機(jī)器人的爬行速度。

圖3 機(jī)器人的運(yùn)動仿真結(jié)果

4 結(jié)語

本文基于液壓伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)了機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)，建立了其動力學(xué)模型，并引用虛擬樣機(jī)仿真軟件對機(jī)器人的直線行走步態(tài)進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明機(jī)器人的運(yùn)行基本上達(dá)到了預(yù)先設(shè)定的范圍，運(yùn)行良好。

［1］ 陳學(xué)東．多足步行機(jī)器人運(yùn)動規(guī)劃與控制［M］．武漢：華中科技大學(xué)出版社，2006．

［2］ Shigeo Hirose，Hiroki Takeuchi．Study on roller－walk：basic characteristics and its control［C］／／Proc ICRA．Minneapolis，Minnesota：IEEE，1996：3266－3269．

［3］ 雷秀．液壓與氣壓傳動［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005．

［4］ 金康進(jìn)，李勇，施光林．基于ADAMS的液壓控制系統(tǒng)仿真［J］．液壓與氣動，2006（7）：4－6．

［5］ 余新康，王?。贏DAMS的液壓系統(tǒng)虛擬樣機(jī)［J］．煤礦機(jī)械，2003（11）：42－43．