四足仿生機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

劉瑞軒，方建軍，李敏，劉德馨

1北方工業(yè)大學(xué)機(jī)械與材料工程學(xué)院；2北京聯(lián)合大學(xué)自動化學(xué)院

四足仿生機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

劉瑞軒1，方建軍2，李敏1，劉德馨2

1北方工業(yè)大學(xué)機(jī)械與材料工程學(xué)院；2北京聯(lián)合大學(xué)自動化學(xué)院

依據(jù)仿生學(xué)原理和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)了一款全膝式多自由度的仿生四足機(jī)構(gòu)。運(yùn)用pro/E軟件對虛擬樣機(jī)做了詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括整體支架，腿部結(jié)構(gòu)?；贏BAQUS完成了機(jī)器人關(guān)鍵零部件的仿真分析，得了腿部關(guān)鍵部件的受力變形情況，為后續(xù)的機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

四足機(jī)器人；仿生設(shè)計(jì)；仿真分析；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷挺高，我們對于未知事物的探索從未間斷過，如月球的深度探索，深海資源的探索等等。然而這些領(lǐng)域的地形是非常復(fù)雜的，我們想要從這些地方獲取新的發(fā)現(xiàn)，避免不了要有機(jī)器的輔助，運(yùn)動仿生機(jī)器人從移動方式上有足式移動、履帶移動、爬行、蠕動及撲翼飛行等形式，由于足式機(jī)器人的綜合性能最優(yōu)越，故其一直是此類機(jī)器人研究的重點(diǎn)。足式機(jī)器人在移動能力上具有靈動性、可變性的特點(diǎn)，故其可適應(yīng)如深海和南北極等地區(qū)的科學(xué)探索工作，從當(dāng)今社會的發(fā)展來看，人們所需的應(yīng)用工具越來越多，單純的代步工具汽車不久的將來也不能完全幫助到人們的方方面面，在四足機(jī)器人研究的狂熱浪潮中，如何找到一款適合人類生活輔助的機(jī)器人并能承擔(dān)相應(yīng)的野外研究及探索工作，也是一個有趣的綜合研究方向，綜上所述足式機(jī)器人的研究正受到各領(lǐng)域研究者們的青睞[1]。

1 四足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分析

在研究四足動物時必須對其骨骼構(gòu)造進(jìn)行分解研究。生物經(jīng)過進(jìn)化已經(jīng)適合生存，所以在設(shè)計(jì)初的研究階段往往可以借助動物的體型及行為做為四足機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)，圖1為四足動物的體型圖，四足生物的腿部一幫包括髖、膝和踝三個關(guān)節(jié)。在行走過程中髖關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)前后的擺動和側(cè)擺調(diào)整方向，膝關(guān)節(jié)可簡化為一個自由度的前后擺動，踝關(guān)節(jié)我們可以簡化為彈性單元用以減少沖擊力對機(jī)體的損傷，腿部的這些自由度實(shí)現(xiàn)了四足動物的行走，使其可以行走、奔跑在復(fù)雜的地面上。

圖1 四足動物體型結(jié)構(gòu)Fig.1 Anatomic diagram of quadruped mammals

本文設(shè)計(jì)的四足機(jī)器人不要求具有像獵豹一樣很快的奔跑速度，可以對仿生結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，仿生機(jī)構(gòu)拓?fù)涑鰜淼乃淖銠C(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示，簡化的結(jié)構(gòu)如圖3所示。很多研究數(shù)據(jù)已表明腿的結(jié)構(gòu)和布局方式對四足機(jī)器人的運(yùn)動沒有影響[2]。此外，從簡化四足機(jī)器人結(jié)構(gòu)、降低控制復(fù)雜度和跌倒后的自行起立能力等角度考慮，圖3的結(jié)構(gòu)也更加穩(wěn)定在靈活性上與圖2近似。綜合考慮，四足機(jī)器人擬采用圖3所示的結(jié)構(gòu)形式。

圖2 四自由度腿部結(jié)構(gòu)配置Fig.2 4-DOF leg configuration

圖3 三自由度腿部結(jié)構(gòu)配置Fig.3 3-DOF leg configuration

2 四足機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

四足機(jī)器人的機(jī)身設(shè)計(jì)需要為后期驅(qū)動器的、控制器、蓄電池的安裝，還有負(fù)載裝物留下空間。因此本文采用桿件和板件固定連接，保證空間的足夠大，而且減少了整體的質(zhì)量。結(jié)構(gòu)如圖4所示，用6根連桿固定三個鈑金件，在鈑金件上要預(yù)留出髖關(guān)節(jié)驅(qū)動單元的位置，為后續(xù)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

圖4 機(jī)架及髖關(guān)節(jié)三維模型Fig.4 Rack and hip three-dimensional model

髖關(guān)節(jié)的機(jī)構(gòu)，有兩個自由度，可看作沿髖關(guān)節(jié)軸的軸向擺動和徑向擺動，由于可實(shí)現(xiàn)兩個方向的運(yùn)動，這樣的機(jī)構(gòu)可以使腿部靈活的移動，運(yùn)動空間大。目前國內(nèi)的四足機(jī)器人省略了此處的橫向擺動，可以使機(jī)體結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，負(fù)載大，但是不能實(shí)現(xiàn)靈活的轉(zhuǎn)彎，側(cè)走。[3-4]本文改進(jìn)了這一缺陷，但是此處的轉(zhuǎn)矩較大，所以從機(jī)構(gòu)上改進(jìn)同時在驅(qū)動單元的選擇上也不同于腿部的驅(qū)動單元，要能夠承受更大的負(fù)載力矩。

四足機(jī)器人的膝關(guān)節(jié)是髖關(guān)節(jié)之下的另一個縱向擺動關(guān)節(jié)，主要是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動微調(diào)腿部的姿態(tài)如圖5，在機(jī)器人側(cè)擺（橫向行走）腿部是有角度的所以關(guān)節(jié)處及要有徑向力也會同時受到軸向力，故在關(guān)節(jié)處的軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，兩邊采用對頂軸承，可同時承受徑向和軸向力，本設(shè)計(jì)的軸系采用密封結(jié)構(gòu)可以保證軸承的使用壽命，同時減少了不必要的誤差。[5]

圖5 膝關(guān)節(jié)的三維設(shè)計(jì)模型Fig.5Three-dimensional design model of knee joint

3 單腿關(guān)鍵部件的有限元分析

大腿由于連接小腿和機(jī)器人身體支架，是一級受力關(guān)節(jié)零部件，大腿的設(shè)計(jì)質(zhì)量對機(jī)器人性能影響很大。大腿選材為6061鋁合金，采用中空的版式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部裝有驅(qū)動單元，大腿主要承擔(dān)的運(yùn)動是側(cè)擺，另外就是與小腿鏈接不穩(wěn)定的縱向擺動。所以只要知道這兩種情況下大腿部件的受力即可分析。在這兩種情況下受力方向既有徑向也有軸向的。故給大腿施加三個力，關(guān)節(jié)連接處施加軸承載荷，在小孔處因?yàn)橐B接推桿，所以施加集中載荷。[6]經(jīng)過ABAQUS軟件計(jì)算，得到變形云圖及最大變形量數(shù)據(jù)（此時的受力分析是經(jīng)過質(zhì)量優(yōu)化后的云圖）數(shù)據(jù)顯示大腿結(jié)構(gòu)在受力作用下變形量小于0.001mm，故滿足設(shè)計(jì)要求，變形云圖如圖6所示。

圖6 大腿受力變形圖Fig.6 Thigh force deformation map

作為機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)的重要組成部分，小腿連接著大腿即足部關(guān)節(jié)，同時受到電動推缸推桿的推力，所以受力分析是對大腿板施加4個力包括兩端連接部位處施加軸承載荷，小孔處添加的兩個集中載荷。仿真計(jì)算后顯示小腿結(jié)構(gòu)在受力作用下變形量小于0.00013mm，故滿足設(shè)計(jì)要求。變形圖如圖7所示。

圖7 小腿受力變形圖Fig.7 Calf force deformation map

4 結(jié)論

本文借鑒動物仿生學(xué)研究成果，對四足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過Hypermesh對機(jī)器人關(guān)節(jié)零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行細(xì)致的網(wǎng)格劃分工作，通過ABAQUS對零件進(jìn)行了有限元分析。得到了結(jié)構(gòu)受力情況和變形量，為進(jìn)一步提高機(jī)器人的負(fù)載-自重比奠定了基礎(chǔ)。

[1]于浩.液壓四足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析[D].南京航空航天大學(xué)，2012.

[2]羅慶生，韓寶玲.現(xiàn)代仿生機(jī)器人設(shè)計(jì)[D].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[3]Raibert M H,Chepponis M,Brown Jr H B.Running on four?legs as though they were one[J].IEEE Journal of Robotics andAutoma?tion,1986,2(2):70～82

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[5]王鵬，徐曉希，李吉祥，等.小型化四足機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)分析及仿真研究[J].機(jī)電工程，2013，30(8)：901-904.

[6]陳己明，彭響方，賴鵬.基于Midplane網(wǎng)格單元HyPermesh與Moldflow的網(wǎng)格前處理[J].塑料科技，2007，35(3).

北京市屬高等學(xué)校高層次人才引進(jìn)與培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目資助(CIT&TCD20150314)。

劉瑞軒（1989-），男，漢族，北京人，學(xué)歷：碩士研究生，主要從事機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真研究，研究方向：智能機(jī)器人；

方建軍(1970-)，男，湖北羅田人，博士，北京聯(lián)合大學(xué)自動化學(xué)院，教授，主要從事智能機(jī)器人研究。

方建軍。