四足步行机器人结构设计分析

2024.08.16

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

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

0 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桿缩放机构，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.

作者简介：李岩（1998-），男，山东宁阳人，本科在读，研究方向：机械设计。