軟脊柱型四足機器人的機械結構

劉智慧 張童 許崇偉

摘 要：隨著現代科技的崛起，機器人的運用也越來越廣泛，其中四足機器人相比雙足機器人具有更高穩定性，高實用性的優點，相比六足和八足機器人更簡單。本文是在前人研究的基礎上，設計了起跳型四足機器人，建立機械結構，并進行運動學分析。這種機器人主要是對兔子跳躍的運動過程的仿生，相比其他仿生機器人有結構簡單，運動速度快起跳能力強的特點。首先進行對前人四足機器人機械結構的分析，然后運用仿生學原理設計本文的起跳型四足機器人，最后就本文的機械結構進行運動學分析。

關鍵詞：四足機器人；軟脊柱型機器人；機械結構；液壓

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

1 四足機器人的發展和機械結構

1.1 四足機器人的發展

在20世紀左右，四足機器人開始被研究，最開始由Frank和McGhee制作，這種結構由電機作為單元驅動，有兩個自由度。80年代最具代表性的機器人由日本Shigeo Hirose實驗室研制的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 “大狗機器人”。[1]國內方面從20世紀90年代開始引進對四足機器人的研究，而在2010年左右，山東大學，哈爾濱工業大學 ，上海交通大學等大學先后公布了不同的四足機器人。2016年左右關于軟脊柱的四足機器人的論文也相繼發表了幾篇。驅動方式的發展主要從電機驅動轉向液壓驅動，電機驅動啟動性能好，精度高，可控性比較好，自動化更高。但是本文研究的機器人選用的驅動方式是液壓驅動，因為液壓驅動啟動、轉換比較快、運動平穩、速度可調性高，所以比較符合本文的結構。

1.2 四足機器人的機械結構

四足機器人的機械結構主要由四肢和主體組成，四肢的結構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，其中軟脊柱型機器人是仿生爪類的四足動物（以豹子為代表），剛性脊柱型機器人，剛性機器人主要是仿生蹄類的四腳動物（以馬為代表）。在以前的設計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行發展。他的特點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 四足機器人的仿生和機械結構

2.1 機器人的仿生動物

本文的仿生機器人主要仿生的是兔子，兔子和蹄類動物的區別主要分為腿部的不同和主體部分的不同：腿部的不同，兔子的運動特點是兩個后腿的起跳，后腿為主要的運動驅動力，前腿為輔助，蹄類動物分為走路、小跑、大跑三種情況，不同的運動情況腿的運動狀態和交替步驟也不同。因此相比蹄類動物的運動時腿的運動狀態，兔子運動時腿的運動狀態更加簡單。

主體部分的不同主要是脊柱的不同。本文中主要對腿部的機械結構進行分析和設計對與主體部分是對原軟脊柱型結構進行一定的改造。

2.2 機器人的機械結構

2.2.1 腿部的結構

傳統的機器人的機械結構運用的是彈簧倒立擺結構代替腿部的結構，但是并不穩定，之后又相繼出現了四連桿機構的腿部結構。其中腿部運用了四個關節，腳趾，踝關節，膝關節，髖關節。腿骨與腿骨之間采用鉸鏈（代替關節）連接保證前后的自由度，腿骨與腿骨之間的支撐部分運用液壓驅動，結構選用柱塞缸的形式，保證不影響運動時的自由度，在缸中加入彈簧，保證下落時的平穩性。腿部更重要的一部分是減少對與地面的沖擊力，因為腿部的沖擊力過大：一方面會造成關節的反作用過大，但是要保證運動速度的話，應盡量的減少柱塞缸的摩擦力，這樣帶來的結果就是對于沖擊力的反作用降低，因此對于柱塞的改進方法就是盡力減少摩擦力，運用彈簧進行改進。可以運用能量守恒和胡克定律，簡化結構假設整體的質量量化選擇的彈簧、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傳到脊柱部分，對脊柱產生一定的震動和力矩，對本就是軟脊柱的主體部分造成更大的損傷。可能會使整體的運動方向和運動速度發生改變，從而失去了四足機器人的優勢。

2.2.2 主體結構

機器人的主體部分既要保證起跳時的收縮性強，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，其中軟硬材料交錯相連，既可以保證站立時的剛性特點，也可以保證他的伸縮要求。

3 機器人的動力學分析

3.1 腿部的動力學分析

對于三部分腿骨部分我們可以運用三個坐標進行運算，整體的尺寸質量簡化成一個整體，運用力學方程和運動時的動量守恒和能量守恒，得到運動所需要的能量，進而確定動力系統的能量供應。

3.2 主體部分的運動學分析

整體的結構需要對整體的結構進行動力學分析，因為我們的結構采用軟硬材料相間排列因此對于整體的承受能力也是不同的，我們都知道對于機械結構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力集中過大，可以在中間加入軟繩進而降低應力集中。因此對于主體結構主要部分，即軟繩進行一定的力學分析。

4 四足機器人的展望和發展

四足機器人的高穩定性和高運動速度會使它在機器人這個領域發展迅速，會在一些較為復雜的環境中得到應用，對于一些人類無法到達的地方機器人都可以代替，因此未來機器人的發展空間還很大。未來對其控制能力可能會發展的更快，機械結構也會更新，期望能設計出更穩定，運動速度更快的四足機器人。

參考文獻：

[1]劉瑞軒.四足機器人的機械設計與仿真優化[D].北方工業大學， 機械工程領域，2017（05）.

[2]聶華.具柔性脊柱的四足機器人結構優化與控制[D].華中科技大學，機械電子工程，2016（05）.