软脊柱型四足机器人的机械结构

刘智慧 张童 许崇伟

摘 要：随着现代科技的崛起，机器人的运用也越来越广泛，其中四足机器人相比双足机器人具有更高稳定性，高实用性的优点，相比六足和八足机器人更简单。本文是在前人研究的基础上，设计了起跳型四足机器人，建立机械结构，并进行运动学分析。这种机器人主要是对兔子跳跃的运动过程的仿生，相比其他仿生机器人有结构简单，运动速度快起跳能力强的特点。首先进行对前人四足机器人机械结构的分析，然后运用仿生学原理设计本文的起跳型四足机器人，最后就本文的机械结构进行运动学分析。

关键词：四足机器人；软脊柱型机器人；机械结构；液压

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

1 四足机器人的发展和机械结构

1.1 四足机器人的发展

在20世纪左右，四足机器人开始被研究，最开始由Frank和McGhee制作，这种结构由电机作为单元驱动，有两个自由度。80年代最具代表性的机器人由日本Shigeo Hirose实验室研制的titan系类，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国的 “大狗机器人”。[1]国内方面从20世纪90年代开始引进对四足机器人的研究，而在2010年左右，山东大学，哈尔滨工业大学 ，上海交通大学等大学先后公布了不同的四足机器人。2016年左右关于软脊柱的四足机器人的论文也相继发表了几篇。驱动方式的发展主要从电机驱动转向液压驱动，电机驱动启动性能好，精度高，可控性比较好，自动化更高。但是本文研究的机器人选用的驱动方式是液压驱动，因为液压驱动启动、转换比较快、运动平稳、速度可调性高，所以比较符合本文的结构。

1.2 四足机器人的机械结构

四足機器人的机械结构主要由四肢和主体组成，四肢的结构主要由弹簧倒立摆组成，主体的脊柱分为软脊柱和刚性脊柱，其中软脊柱型机器人是仿生爪类的四足动物（以豹子为代表），刚性脊柱型机器人，刚性机器人主要是仿生蹄类的四脚动物（以马为代表）。在以前的设计中主要是刚性的脊柱但是近几年主要在往柔性的脊柱主体上进行发展。他的特点是可以在脊柱的蜷曲中使后足尽量往前，从而提升速度[2]。

2 四足机器人的仿生和机械结构

2.1 机器人的仿生动物

本文的仿生机器人主要仿生的是兔子，兔子和蹄类动物的区别主要分为腿部的不同和主体部分的不同：腿部的不同，兔子的运动特点是两个后腿的起跳，后腿为主要的运动驱动力，前腿为辅助，蹄类动物分为走路、小跑、大跑三种情况，不同的运动情况腿的运动状态和交替步骤也不同。因此相比蹄类动物的运动时腿的运动状态，兔子运动时腿的运动状态更加简单。

主体部分的不同主要是脊柱的不同。本文中主要对腿部的机械结构进行分析和设计对与主体部分是对原软脊柱型结构进行一定的改造。

2.2 机器人的机械结构

2.2.1 腿部的结构

传统的机器人的机械结构运用的是弹簧倒立摆结构代替腿部的结构，但是并不稳定，之后又相继出现了四连杆机构的腿部结构。其中腿部运用了四个关节，脚趾，踝关节，膝关节，髋关节。腿骨与腿骨之间采用铰链（代替关节）连接保证前后的自由度，腿骨与腿骨之间的支撑部分运用液压驱动，结构选用柱塞缸的形式，保证不影响运动时的自由度，在缸中加入弹簧，保证下落时的平稳性。腿部更重要的一部分是减少对与地面的冲击力，因为腿部的冲击力过大：一方面会造成关节的反作用过大，但是要保证运动速度的话，应尽量的减少柱塞缸的摩擦力，这样带来的结果就是对于冲击力的反作用降低，因此对于柱塞的改进方法就是尽力减少摩擦力，运用弹簧进行改进。可以运用能量守恒和胡克定律，简化结构假设整体的质量量化选择的弹簧、腿骨部分选择的材料、各腿骨部分尺寸。另一方面冲击过大会传到脊柱部分，对脊柱产生一定的震动和力矩，对本就是软脊柱的主体部分造成更大的损伤。可能会使整体的运动方向和运动速度发生改变，从而失去了四足机器人的优势。

2.2.2 主体结构

机器人的主体部分既要保证起跳时的收缩性强，又要保证腾空的过程中有较大的伸展量，因此主体部分采用多圆柱拼接而成，其中软硬材料交错相连，既可以保证站立时的刚性特点，也可以保证他的伸缩要求。

3 机器人的动力学分析

3.1 腿部的动力学分析

对于三部分腿骨部分我们可以运用三个坐标进行运算，整体的尺寸质量简化成一个整体，运用力学方程和运动时的动量守恒和能量守恒，得到运动所需要的能量，进而确定动力系统的能量供应。

3.2 主体部分的运动学分析

整体的结构需要对整体的结构进行动力学分析，因为我们的结构采用软硬材料相间排列因此对于整体的承受能力也是不同的，我们都知道对于机械结构来说最容易受到断裂的那一部分是链接的地方为了防止应力集中过大，可以在中间加入软绳进而降低应力集中。因此对于主体结构主要部分，即软绳进行一定的力学分析。

4 四足机器人的展望和发展

四足机器人的高稳定性和高运动速度会使它在机器人这个领域发展迅速，会在一些较为复杂的环境中得到应用，对于一些人类无法到达的地方机器人都可以代替，因此未来机器人的发展空间还很大。未来对其控制能力可能会发展的更快，机械结构也会更新，期望能设计出更稳定，运动速度更快的四足机器人。

参考文献：

[1]刘瑞轩.四足机器人的机械设计与仿真优化[D].北方工业大学， 机械工程领域，2017（05）.

[2]聂华.具柔性脊柱的四足机器人结构优化与控制[D].华中科技大学，机械电子工程，2016（05）.