液压驱动四足机器人机械结构设计探讨

摘 要：随着经济的不断发展，机器人行业的科学技术水平逐渐提高，并且越来越广泛的应用到实践之中，相关技术逐渐成熟并且随之不断完善。对于液压四足机器人来说，其本身的结构设计相对较为复杂，并且所涉及关节较多，多采用仿生设计。为了实现此种机器人的功能与结构设计，需要从其运行速度、穿越障碍的能力以及灵活性等方面加以考虑。本文基于此种观点，对液压驱动四足机器人的机械结构设计进行了探讨，并且对相关参数进行了初步分析。

关键词：液压驱动；机器人；结构设计

随着科学技术的不断发展，以往看似遥不可及的技术已经逐渐成为现实，对于机器人行业来说就是如此，随着人们对于机器人领域相关技术的不断开发，机器人的应用以及设计理念在不断成熟，所应用的领域随之逐渐扩大。由于机器人本身的特点以及优势，能够在某些人力所不能及的领域发挥自身独特的作用例如地震搜救、外星探测等方面。这就对机器人的自身性能以及适应能力提出了新的要求，从而能够在各种不同环境中较为出色地完成各项任务，保证科学研究等工作的顺利进行。因此，不仅仅要求机器人能够在环境中适应 ，还要求机器人具有一定的承重能力，液压系统无疑能够满足此种要求。液压系统本身的体积相对较小，并且精确程度较高，具有较为明显的优势。

一、四足液压机器人的整体结构设计

四足驱动液压机器人的机械结构设计往往需要多个方面以及不同模块的协调配合，才能够发挥最大的效果，例如腿模块、腿模块的结构形式以及腿数目等等。

腿模块的设计工作是液压驱动四足机器人的最为重要的部分，腿模块对于提高机器人字舍你的灵活性以及传送精度，简化机器人的整体结构设计有着极为重要的作用，完善腿模块设计，有助于降低机器人的制造成本，提高其自身的行走能力。

首先，对于液压驱动四足机器人的腿模块自由度的选择，其本身的灵活性越高，要求的可控的自由度就越多，但相应的，每一个可控自由度都需要配备专门的驱动系统以及活动结构，所以从这一点上来说，腿模块的自由程度同其自身的重量是正相关的。因此，在满足自由度的前提下，腿模块所安装的自由度模块越少越好。

目前，多足步行机器人的发展，不仅需要稳定的行走，而且需要腿机构作为机械手来完成操作任务。执行机构在执行操作任务时，要求行走机器人的本体也应是执行机构具有良好刚度和静态稳定性的基础。为保证行走机器人本体的静态稳定性，行走机器人应具有三条腿或更多条腿。为了实现静态和稳定步态的可能性，步行机器人必须有四条腿或更多条腿。静态稳定步态的稳定裕度随着腿数的增加而增加，但当腿数增加到7个以上时，稳定裕度的变化趋于平缓。行走机器人由液压驱动。每个支腿上的每个自由度都由其内部安装的马达进行驱动，如此一来，每个支腿上有三个驱动系统。液压四足机器人的腿越多，驱动系统越多，整个机器的自重就越大，步行机的承载能力也相应降低。为了减少驱动系统的数量，提高行走机构的承载能力，就需要进行一定的装置优化。

腿的安装方式决定了步行机器人腿模块在人体上的安装方式。主要有两种类型：昆虫类（或爬行动物类，如海蟹）的腿在身体的一侧，哺乳动物类（如老虎）的腿在身体的底部。四足步行机器人的腿机构不仅具有行走功能，还需要作为液压机械手来完成操作。爬行动物式腿机在结构上更容易实现，因此从这一点上来说，其本身的优点就在一定程度上凸显了出来。

二、四足机器人的结构分类

在进行四足机器人的结构设计之前，需要根据机器人的用途以及目前所需要的机器人类型加以分析。在机器人的结构分类方面，主要有以下几种。

首先，根据机器人的腿模块的构造方式与腿部同本体之间的的相互关系，可以简单分为并联机构以及串联机构。具体来说，串联结构的四足机器人大部分为开链结构，此种结构的整体工作的空间较大，本身的自由空间较多，自由程度也相对较高，在机器人进行运动的过程中能够随时根据情况进行调整，对于机器人自身的姿势以及姿态的调整相对简单；但同时，此种结构的缺陷也相对明显，例如机器人本身的承载能力受到限制，运动过程中的协调性较难操作等；

而对于并联机器人来说，此种机器人的承载能力相对串联机器人更大，所具有的精度更好，但相对的并联机器人的制造成本也相对更高，而且自身在工作以及运行中的灵活性同串联机器人远远不能比，结构设计也相对更为复杂，并且由于并联机器人相对于串联机器人的研究起步相对较晚，因此在此种方面的研究也相对较少，可供参考的研究成果以及研究资料也相对较为缺乏，进行此种方面的研究也难度更高。

除去以上两种结构之外，还存在混联腿结构，此种结构介乎于并联结构与串联结构之间，同样具备一定的优势但也存在相应的缺陷，并且由于此种模式的起步研究以及应用相对较晚，对于此方面的研究成果以及研究资料也相对较少，从机器人的整体结构上来说，此种结构也是三种机器人的设计结构中最为复杂的一种，因此从各个方面综合来说，进行四足机器人的设计，往往需要选择质量较为稳定，灵活程度相对较高并且操作相对简单地串联机器人。

总体上来说，对现有的液压四足机器人的结构进行了初步分析以及对比之后，大致上能够确定四足机器人的整体结构设计以及腿模块的结构设计方案，并且根据机器人领域的运动学以及静力学等研究方向，需要对四足机器人的速度、加速度以及静力等参数进行进一步的分析，从而得到四足机器人的各个关节的变量以及相应的数学方程。

三、结语

综上所述，液压四足机器人的应用前景以及应用前途以及设计研究的领域极为广泛，本文对四足机器人的结构设计进行了初步探索，仅仅是四足机器人研究设计工作中较小的部分，而對于四足机器人来说，重视其本身的仿生学设计是其实现长远发展的重要途径，只有在成熟技术的支持下以及合理方案的指导下，才能够设计出较为合理且稳定的四足机器人结构，以便于开展进一步的四足机器人研究工作。因此，需要有关工作人员重视四足机器人的动力学分析以及传感器的安装设计，从而促进液压四足机器人的整体进步。

参考文献：

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[3]弹性连杆机构式四足机器人设计与运动控制研究[D]. 重庆大学， 2017.

作者简介：

田显，出生年月：19890110，性别：男，民族：汉，籍贯（精确到市）：四川省阆中市，当前职务：质量，当前职称：助理工程师，学历：本科，研究方向：机械结构设计.