劉智慧 張童 許崇偉

摘 要：隨著現(xiàn)代科技的崛起，機(jī)器人的運(yùn)用也越來越廣泛，其中四足機(jī)器人相比雙足機(jī)器人具有更高穩(wěn)定性，高實(shí)用性的優(yōu)點(diǎn)，相比六足和八足機(jī)器人更簡單。本文是在前人研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了起跳型四足機(jī)器人，建立機(jī)械結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。這種機(jī)器人主要是對(duì)兔子跳躍的運(yùn)動(dòng)過程的仿生，相比其他仿生機(jī)器人有結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)動(dòng)速度快起跳能力強(qiáng)的特點(diǎn)。首先進(jìn)行對(duì)前人四足機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的分析，然后運(yùn)用仿生學(xué)原理設(shè)計(jì)本文的起跳型四足機(jī)器人，最后就本文的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。

關(guān)鍵詞：四足機(jī)器人；軟脊柱型機(jī)器人；機(jī)械結(jié)構(gòu)；液壓

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.07.031

1 四足機(jī)器人的發(fā)展和機(jī)械結(jié)構(gòu)

1.1 四足機(jī)器人的發(fā)展

在20世紀(jì)左右，四足機(jī)器人開始被研究，最開始由Frank和McGhee制作，這種結(jié)構(gòu)由電機(jī)作為單元驅(qū)動(dòng)，有兩個(gè)自由度。80年代最具代表性的機(jī)器人由日本Shigeo Hirose實(shí)驗(yàn)室研制的titan系類，2000年左右，日本的木村浩等人研制了Tekken-IV，目前最有代表性的是美國的 “大狗機(jī)器人”。[1]國內(nèi)方面從20世紀(jì)90年代開始引進(jìn)對(duì)四足機(jī)器人的研究，而在2010年左右，山東大學(xué)，哈爾濱工業(yè)大學(xué) ，上海交通大學(xué)等大學(xué)先后公布了不同的四足機(jī)器人。2016年左右關(guān)于軟脊柱的四足機(jī)器人的論文也相繼發(fā)表了幾篇。驅(qū)動(dòng)方式的發(fā)展主要從電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向液壓驅(qū)動(dòng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)啟動(dòng)性能好，精度高，可控性比較好，自動(dòng)化更高。但是本文研究的機(jī)器人選用的驅(qū)動(dòng)方式是液壓驅(qū)動(dòng)，因?yàn)橐簤候?qū)動(dòng)啟動(dòng)、轉(zhuǎn)換比較快、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、速度可調(diào)性高，所以比較符合本文的結(jié)構(gòu)。

1.2 四足機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)

四足機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由四肢和主體組成，四肢的結(jié)構(gòu)主要由彈簧倒立擺組成，主體的脊柱分為軟脊柱和剛性脊柱，其中軟脊柱型機(jī)器人是仿生爪類的四足動(dòng)物（以豹子為代表），剛性脊柱型機(jī)器人，剛性機(jī)器人主要是仿生蹄類的四腳動(dòng)物（以馬為代表）。在以前的設(shè)計(jì)中主要是剛性的脊柱但是近幾年主要在往柔性的脊柱主體上進(jìn)行發(fā)展。他的特點(diǎn)是可以在脊柱的蜷曲中使后足盡量往前，從而提升速度[2]。

2 四足機(jī)器人的仿生和機(jī)械結(jié)構(gòu)

2.1 機(jī)器人的仿生動(dòng)物

本文的仿生機(jī)器人主要仿生的是兔子，兔子和蹄類動(dòng)物的區(qū)別主要分為腿部的不同和主體部分的不同：腿部的不同，兔子的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)是兩個(gè)后腿的起跳，后腿為主要的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力，前腿為輔助，蹄類動(dòng)物分為走路、小跑、大跑三種情況，不同的運(yùn)動(dòng)情況腿的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和交替步驟也不同。因此相比蹄類動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)時(shí)腿的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，兔子運(yùn)動(dòng)時(shí)腿的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)更加簡單。

主體部分的不同主要是脊柱的不同。本文中主要對(duì)腿部的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)對(duì)與主體部分是對(duì)原軟脊柱型結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的改造。

2.2 機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)

2.2.1 腿部的結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)用的是彈簧倒立擺結(jié)構(gòu)代替腿部的結(jié)構(gòu)，但是并不穩(wěn)定，之后又相繼出現(xiàn)了四連桿機(jī)構(gòu)的腿部結(jié)構(gòu)。其中腿部運(yùn)用了四個(gè)關(guān)節(jié)，腳趾，踝關(guān)節(jié)，膝關(guān)節(jié)，髖關(guān)節(jié)。腿骨與腿骨之間采用鉸鏈（代替關(guān)節(jié)）連接保證前后的自由度，腿骨與腿骨之間的支撐部分運(yùn)用液壓驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)選用柱塞缸的形式，保證不影響運(yùn)動(dòng)時(shí)的自由度，在缸中加入彈簧，保證下落時(shí)的平穩(wěn)性。腿部更重要的一部分是減少對(duì)與地面的沖擊力，因?yàn)橥炔康臎_擊力過大：一方面會(huì)造成關(guān)節(jié)的反作用過大，但是要保證運(yùn)動(dòng)速度的話，應(yīng)盡量的減少柱塞缸的摩擦力，這樣帶來的結(jié)果就是對(duì)于沖擊力的反作用降低，因此對(duì)于柱塞的改進(jìn)方法就是盡力減少摩擦力，運(yùn)用彈簧進(jìn)行改進(jìn)?？梢赃\(yùn)用能量守恒和胡克定律，簡化結(jié)構(gòu)假設(shè)整體的質(zhì)量量化選擇的彈簧、腿骨部分選擇的材料、各腿骨部分尺寸。另一方面沖擊過大會(huì)傳到脊柱部分，對(duì)脊柱產(chǎn)生一定的震動(dòng)和力矩，對(duì)本就是軟脊柱的主體部分造成更大的損傷?？赡軙?huì)使整體的運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度發(fā)生改變，從而失去了四足機(jī)器人的優(yōu)勢。

2.2.2 主體結(jié)構(gòu)

機(jī)器人的主體部分既要保證起跳時(shí)的收縮性強(qiáng)，又要保證騰空的過程中有較大的伸展量，因此主體部分采用多圓柱拼接而成，其中軟硬材料交錯(cuò)相連，既可以保證站立時(shí)的剛性特點(diǎn)，也可以保證他的伸縮要求。

3 機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)分析

3.1 腿部的動(dòng)力學(xué)分析

對(duì)于三部分腿骨部分我們可以運(yùn)用三個(gè)坐標(biāo)進(jìn)行運(yùn)算，整體的尺寸質(zhì)量簡化成一個(gè)整體，運(yùn)用力學(xué)方程和運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)量守恒和能量守恒，得到運(yùn)動(dòng)所需要的能量，進(jìn)而確定動(dòng)力系統(tǒng)的能量供應(yīng)。

3.2 主體部分的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

整體的結(jié)構(gòu)需要對(duì)整體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，因?yàn)槲覀兊慕Y(jié)構(gòu)采用軟硬材料相間排列因此對(duì)于整體的承受能力也是不同的，我們都知道對(duì)于機(jī)械結(jié)構(gòu)來說最容易受到斷裂的那一部分是鏈接的地方為了防止應(yīng)力集中過大，可以在中間加入軟繩進(jìn)而降低應(yīng)力集中。因此對(duì)于主體結(jié)構(gòu)主要部分，即軟繩進(jìn)行一定的力學(xué)分析。

4 四足機(jī)器人的展望和發(fā)展

四足機(jī)器人的高穩(wěn)定性和高運(yùn)動(dòng)速度會(huì)使它在機(jī)器人這個(gè)領(lǐng)域發(fā)展迅速，會(huì)在一些較為復(fù)雜的環(huán)境中得到應(yīng)用，對(duì)于一些人類無法到達(dá)的地方機(jī)器人都可以代替，因此未來機(jī)器人的發(fā)展空間還很大。未來對(duì)其控制能力可能會(huì)發(fā)展的更快，機(jī)械結(jié)構(gòu)也會(huì)更新，期望能設(shè)計(jì)出更穩(wěn)定，運(yùn)動(dòng)速度更快的四足機(jī)器人。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉瑞軒.四足機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)與仿真優(yōu)化[D].北方工業(yè)大學(xué)， 機(jī)械工程領(lǐng)域，2017（05）.

[2]聶華.具柔性脊柱的四足機(jī)器人結(jié)構(gòu)優(yōu)化與控制[D].華中科技大學(xué)，機(jī)械電子工程，2016（05）.