摘 要：四足機器人應用領(lǐng)域十分廣泛，具有非常強的環(huán)境適應能力，可以在搶險救災與軍事反恐等領(lǐng)域發(fā)揮積極重要的作用。四足機器人步行運動結(jié)構(gòu)設計，相對于傳統(tǒng)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(gòu)還存在一些問題，控制系統(tǒng)也極易受到破壞。因此，本文結(jié)合四足步行機器人研究現(xiàn)狀，從監(jiān)測傳感器和步行結(jié)構(gòu)設計角度，提出了相應的優(yōu)化建議。

關(guān)鍵詞：五桿機構(gòu)；動態(tài)扭矩傳感器；監(jiān)測原理

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.10.129

0 前言

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(lǐng)域，在各領(lǐng)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(huán)境適應性。由于機器人一項涉及多種學科理論和研究領(lǐng)域的復雜結(jié)構(gòu)動力系統(tǒng)，對傳統(tǒng)輪式機械運動具有無可比擬的優(yōu)勢。但開發(fā)設計適應多環(huán)境的步行機器是一個長期的復雜工程。目前，關(guān)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(jié)機器人現(xiàn)行結(jié)構(gòu)設計的基礎(chǔ)上，對四足步行機器人的結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化進行了探討。

1 四足步行機器人研究現(xiàn)狀

四足步行機器人具有廣泛的應用價值和應用優(yōu)勢，尤其是針對工程、軍事、搶險、反恐等特殊環(huán)境領(lǐng)域，存在巨大的價值優(yōu)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(gòu)進行研發(fā)設計，環(huán)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(huán)連桿機構(gòu)，并安裝有傳感器與技術(shù)合金，可以自動檢測地面情況，能夠?qū)崿F(xiàn)避開障礙物的功能在陡峭的地方步行；國內(nèi)清華大學應用平面四桿縮放機構(gòu)，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(xiàn)避障、上坡、下坡，應對復雜地形條件，具有較強的環(huán)境適應能力和穩(wěn)定的步行節(jié)律運動。雖然各國步行機器人具有非常的先進技術(shù)和應用優(yōu)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(huán)境，其控制方式與步行結(jié)構(gòu)設計存在一定的特殊性和局限性。

2 四足步行機器人結(jié)構(gòu)設計分析

2.1 機器人結(jié)構(gòu)對步行軌跡的影響

四足步行機器人的傳統(tǒng)輸出軌跡只能執(zhí)行固定行走軌跡，主要采用的是平面四桿機構(gòu)，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(tǒng)步行機器人行走軌跡主要受控制系統(tǒng)影響，如果控制系統(tǒng)受到風雨的侵襲和惡劣環(huán)境就會受到嚴重的破壞。傳統(tǒng)機器人步行結(jié)構(gòu)的開關(guān)環(huán)節(jié)主要采用串聯(lián)機構(gòu)，造成軌跡運動誤差大，控制系統(tǒng)的精準性差。其次，監(jiān)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(jiān)測機器人的行走狀態(tài)，傳感器安裝方式?jīng)Q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(jié)構(gòu)也就是指機器人的控制系統(tǒng)，是機器人功能的保證基礎(chǔ)，但機器人在實際應用中，經(jīng)常會涉及到惡劣環(huán)境，無論是在水下作業(yè)還是沙漠探測，都會對控制系統(tǒng)產(chǎn)生影響。所以要將與外界介質(zhì)隔離。

2.2 四足步行機器人結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化

通過對傳統(tǒng)機器人機構(gòu)設計的分析探討可以看出，傳統(tǒng)機器人行走軌跡主要受到，步行結(jié)構(gòu)、監(jiān)測傳感器安裝方式和控制系統(tǒng)的影響。因此，優(yōu)化設計方案需要保證以下三點：第一步行機構(gòu)優(yōu)化，為了使機器人具備良好的避障功能，要讓步行機構(gòu)具備柔性與靈活性；第二監(jiān)測傳感器優(yōu)化，確保傳感器安裝在實現(xiàn)與外界介質(zhì)隔離的基礎(chǔ)上，能夠較為全面的獲取地面周圍情況；第三機體結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在確保步行穩(wěn)定驅(qū)動的基礎(chǔ)上，增強環(huán)境適應性實現(xiàn)與外界介質(zhì)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(lián)五桿機構(gòu)，傳感器安裝要與傳動軸同軸，并選用動態(tài)扭矩傳感，確保監(jiān)測與步行驅(qū)動關(guān)節(jié)扭矩同步，步行機器人控制系統(tǒng)密封裝配機體，確保與外界介質(zhì)隔離。裝配過程中要實現(xiàn)同軸安裝，確保傳動軸體的傳動效率，這樣在控制系統(tǒng)發(fā)出指令后，可實現(xiàn)與機器人驅(qū)動同步，極大的提高了傳動執(zhí)行的效率。執(zhí)行優(yōu)化方案后控制系統(tǒng)密封裝配在機體中，并應用動態(tài)扭矩傳感器，監(jiān)測步行機構(gòu)驅(qū)動，當機器人的足端處于懸空時，驅(qū)動關(guān)節(jié)的扭矩處于穩(wěn)定狀態(tài)，機器人足端接觸地面或碰到物體障礙時，驅(qū)動關(guān)節(jié)會產(chǎn)生突變力矩，監(jiān)測傳感器的安裝要在軸承座與驅(qū)動電機之間，通過監(jiān)測驅(qū)動關(guān)節(jié)的扭矩，獲取機器人足端地面情況反饋，利用動態(tài)扭矩傳感器提高機器人步行控制的穩(wěn)定性，同時機器人采用平面并聯(lián)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(diào)節(jié)性，提高了機器人對行走環(huán)境的適應性。

3 結(jié)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(lǐng)域，具有非常廣闊的發(fā)展前景，但傳統(tǒng)步行機器人結(jié)構(gòu)設計在實際應用中還存的一些問題，在步行機構(gòu)與監(jiān)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(guān)節(jié)的精確控制。因此，本文基于機器人結(jié)構(gòu)對各項性能的影響，對機器人結(jié)構(gòu)進行了重新優(yōu)化，使機器人步行更具有柔性，有效實現(xiàn)了步行靈活跨越障礙的能力。

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作者簡介：李巖（1998-），男，山東寧陽人，本科在讀，研究方向：機械設計。