基于液壓驅動的四足步行機器人設計與仿真

彭松濤，張文志，周 偉，杜 強

（內蒙古工業大學 機械學院，內蒙古 呼和浩特 010051）

0 引言

機器人是一個集機電液于一體的產品，現已廣泛應用于工業生產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，但是由于它獨特的適應性和擬人性，正成為機器人領域的一個重要發展方向。

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

1 整體結構設計

在傳統的設計過程中，在產品設計完成后，通常要制造樣機來驗證設計，通過試驗來找出缺陷，回頭再修改設計，并再制造物理樣機來試驗。這既延長了設計周期，又增加了成本。目前更為有效的辦法是利用虛擬樣機技術來分析產品的各項性能。

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

圖1 機器人的實體模型

通過軟件建立機器人的三維實體模型可以全面地反映其幾何特性、尺寸大小、質量分布、各幾何體之間的裝配關系、公差以及裝配時是否發生干涉現象等。

2 液壓系統設計

傳動機構是機器人的重要組成部分，其作用是將原動機提供的能量傳遞給工作機構，來實現預定的運動［2］。目前，機械行業中主要有電氣傳動、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基本上由能源元件、執行元件、調節控制元件、輔助元件和工作介質5部分組成。

首先，根據主機的運動要求確定能源元件的類型，按照機械設計手冊選擇原動力機和液壓泵的類型。由于足式機器人實現的是獨立行走，因此原動力機一般為汽油機或是柴油機，根據設計的機器人的負載，采用柴油機為液壓泵提供動力。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的效率，減小液壓系統的體積和重量，因此足式機器人的液壓系統采用該種方式供油。液壓泵選擇單葉片泵［3］。

根據載荷初步選定液壓系統的工作壓力為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，是各種調節控制元件的選擇，主要有方向控制閥、壓力控制閥和流量控制閥。根據分析，機器人液壓系統主要是對液壓油流量進行控制，因此采用流量控制閥比較合理。其原理是通過調節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，節流閥、調速閥、分流集流閥和限速關閉閥用的比較多。

根據速度比φ的要求計算活塞桿直徑d：

最后，確定輔助元件和工作介質。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中起到輔助作用，是不可或缺的，用以保證系統有效、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，維持系統恒壓和補充泄漏。油箱儲存油液，兼有散熱的功能。由于伺服系統對油液清潔度要求較高，因此需要采用精過濾器。

綜上所述，足式機器人的液壓系統是高效能的伺服系統。根據分析結果，設計其液壓系統原理圖，如圖2所示。

圖2 機器人液壓系統原理圖

由于機器人腿部有3個自由度，因此，我們決定采用3個液壓缸。3個電液伺服閥分別控制3個液壓缸的伸縮運動。在進油口處裝有1個精濾油器，由單項閥防止液壓油倒流。溢流閥的作用是防止系統壓力超過預先設定的壓力值。蓄能器起應急供油作用。冷卻形式為風冷，壓力表顯示系統在工作時的壓力值。

3 機器人直線行走步態仿真

將有關驅動函數導入虛擬樣機中，觀察機器人的運動情況，得到機器人的仿真結果，如圖3所示。

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

圖3（b）為機器人在前進方向上的速度曲線，機器人重心不動時其速度為0mm／s，在5．5s時機器人重心往右前方移動，使機器人出現了最大爬行速度86．5mm／s。當一個步態周期結束后，根據機器人前進的距離及步態周期，可以計算得到機器人的平均前進速度為43．6mm／s。該速度值比較小，主要是由于我們設定的步態周期太長、步幅太小造成的，因此在控制樣機時，在路況允許的條件下可以通過減小步態周期及加大步幅的方法來提高機器人的爬行速度。

圖3 機器人的運動仿真結果

4 結語

本文基于液壓伺服系統設計了機器人的機械結構，建立了其動力學模型，并引用虛擬樣機仿真軟件對機器人的直線行走步態進行了仿真，結果表明機器人的運行基本上達到了預先設定的范圍，運行良好。

［1］ 陳學東．多足步行機器人運動規劃與控制［M］．武漢：華中科技大學出版社，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：機械工業出版社，2005．

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

［5］ 余新康，王健．基于ADAMS的液壓系統虛擬樣機［J］．煤礦機械，2003（11）：42－43．