1、机 械创新设计竞赛 。鼓励学生结合主题 ，进行机械创新设计 。要求学生给出从方案设计 、机构设计 、制作工艺等全过程的详细资料 。在作品的制作过程中 ，简单零件由学生在工程训练中心自主完成 ，较复杂的零件，学生首先编写好数控加工程序 ，加工师傅协助学生完成 。机械学院已连续五年开展机械创新设计竞赛， 选拔优秀者参加省和国家机械创新设计比赛 ，学生取得了较好的成绩 ，共获得 1 个全国一等奖 、4 个省二等奖及 3 个省三等奖，通过竞赛提高了学生的创新设计能力，而且还培养了学 生解决问题的能力 、动手操作的能力 、团对协作能力 。4 结论通过建立面向创新能力培养的课程体系，学生 打好创新基础 。
2、通过开设机械创新设计等课程 ，学生树立创新信心 。通过开展了机构创新拼接实验 、专业方向综合创新 实验 、虚拟创新实验 、结合工程实际进行机械创新 、组织机械创新设 计竞赛等营造学生创新实践氛围 。积极引导学生勇于创新实践活 动，提高了学生的创新能力 。参考文献1 路甬祥 .走中国特色自主创新之路 ，建设创新型国 家 J .中国科学院院刊， 2006（ 5） :3552662 樊泽恒 .中外高等工程教育工程训练模式的 比较及启示 J .南京航空航天大学学报（社会科学版） .2005， 8（ 1） :76803 朱剑英 .信息技术 、机械工业与机械工程教 育 J .高等教育研究， 2002， 3
3、2（ 1） :68734孟飞 .机械类学生创新实践能力培养模式探 讨 J .科技信息， 2008，（ 35） :924.5 王利华 .机械创新设计中创造性思维的研 究 J .内蒙古民族大学学报，2005， 20（ 2） :1831866 黄纯颖 .机械创新设计 M .北京 :高等教育出版社， 2000文章编号： 1001-3997（ 2010） 10-0176-03【摘 要 】液压驱动四足步行 机器人关节较多 、结构复杂，采用结构与功能仿生的方式 ，实现了四足步行机器人机械结构的总体设计 。从步行机器人运动速度 、越障能力 、足端运动空间以及灵活性等方面分析了腿节长度对步行机构的影响 ，分析了
4、机体结构设计与步行机器人运动稳定型 、角度规划之间的关系 ，综合优选出较为合理的四足步行机器人结构参数 。关键词：机器人；结构设计；腿节长度【Abstract】The structure of quadruped walking robot which is driven by hydraulic cylinder has beendesigned by using of functional bionic method and structural bionic method because of its complex node.The influence of leg mechanism
5、s length on walking mechanism was illuminated from four different aspects:the velocity of movement， the capacity overcoming the obstacle， the workspace of the foot and the flexibilityof walking robot.At the same time， it analyzed the relation between structural design of body and stability ofwalking
6、 robot and the angle planning of joints， and find out the reasonable mechanism parameters afteroptimization.Key words： Robot； Structural design； Leg mechanisms length1 引言随着人们对机器人概念理解的深入，机器人的 应用领域在不断扩大，在外星探测 、战争 、塌陷煤矿和地震废墟的搜救任务中，需要机器人在未知的危险环境中有良好的适应能力 ，并具有一定的承重能力 ，以完成各项任务 ，而液压系统具有体积小 、输出功率大 、响应快 、精度高
7、 、跟踪能力强等特点 ，液压驱动多足步行机器人就具有明显的优势 。早在 1968 年，美国通用电气公司 R.S.莫舍（ Mosher）与美国陆军移动系统实验室 R.A.利斯顿（ Liston）协作设计开发了一种液压驱动的四足步行卡车 “Walking Truck”1。澳大利亚柯蒂斯大学曾推出了既可以步行，又可以进行轮式移动的液压驱动机器人“Hydrobug”2，可以载人沿着任何方向行 走，同时可以爬上 45的斜坡以及在极端破坏的路况下进行行走 。国内中南大学针对六足行走方式提出了一种采用液压驱动 的缩放式腿机构3。这种缩放机构采用两个液压缸和一个液压马达来实现腿的伸缩和起落以及旋转动作，并能够
8、支撑较大重量 ，但仅完成了液压驱动原理设计及 PLC 控制设计，未进一步进行结构和智能策略的研究 。本文以研制一种液压驱动的四足步行机器人为目 标，完成了步行机器人机械机构设计以及动力学分析 ，并进行了基于 ADAMS 的虚拟样机仿真 。中图分类号： TH16 文献标识码： A来稿日期： 2009-12-19液压驱动四足机器人机械结构设计*朱学彪（武汉科技大学 机械自动化学院 ，武汉 430081）Test and analysis on hydraulic systems signal of straightening machineZHUXue-biao（ CollegeofMachine
9、ryandAutomation， WuhanUniversityofScienceandTechnology， Wuhan430081， China）Machinery Design Manufacture机械设计与制造第 10 期2010 年 10 月1762 总体结构设计多足步行机器人的机械系统要涉及到几个方面的内容：腿模块 、腿 -机体 -腿模块的结构形式，各关节的合理布置 、关节转角 、腿节长度 、腿在躯体上的安装型式以及腿数目等 。2.1 腿模块结构腿机构对于提高机器人各传动系统的传动精度 、提高各腿的运动灵活性 、简化整机的结构设计 、降低成本和提高步行机的行走能力有重要影响 。（
10、 1）自由度选择：腿机构的可控自由度越多，它的灵活性越好，但每一个可控自由度要配备一套驱动系统和一套传动机构，所以每增加一个自由度其重量相应要增加许多 。因此，步行机器人腿机构的自由度在满足运动条件前提下，越少越好，这里选定每条腿有三个空间自由度 。（ 2）腿机构形式：目前典型的腿机构形式有：缩放式腿机构；关节式腿机构；缓冲型腿机构；基于气动人工肌肉的腿机构等 。考虑到关节式腿机构结构简单，紧凑且运动灵活，这里采用关节式连杆机构作为机器人的腿机构形式，且采用液压缸作为驱动，确定步行机器人单腿模块的机构原理图，如图 1 所示 。zYhXabBCL1L2L3yAd准准s2s3cuo1图 1 步行机
11、器人单腿模块机构原理图2.2 腿数目确定目前研制的多足步行机器人，不但要求能够稳定行走，而且腿机构还可作为机械臂执行操作任务 。当执行装置执行操作任务时，就要求步行机器人机体还应是执行装置刚性好 、静态稳定的基础 。要保证步行机器人机体静态稳定，则步行机器人应具有三条或三条以上的腿 。从实现静态稳定步态的可能性出发，步行机器人必须有四条或四条以上的腿 。静态稳定步态的稳定裕量随着腿数的增加而增加，不过当腿数增加到七条以上时，稳定裕量的变化反而趋于平坦 。步行机器人采用液压驱动，每条腿上每个自由度由一个液压缸 /马达驱动，这样每条腿上就有三套驱动系统，而腿的数目越多，驱动系统就越多，则整机的自重
12、就会增大，相应地步行机的承载能力就会下降 。为减少驱动系统的数量，增大步行机构的承载能力，因此，选用四足步行机器人作为研制对象 。2.3 腿安装型式确定步行机器人腿模块在机体上的安装型式主要有两类：把腿安装在机体侧面的仿昆虫类（或仿爬行动物类，如海蟹等）；另一种是把腿安装在机体底部的仿哺乳动物类（如虎等） 。研制的四足步行机器人腿机构不仅具有行走功能，而且还要求能够作为液压操作臂，完成操作作业，在结构上更容易实现仿爬行动物类腿机构4，其布置型式优点就显现了出来 。2.4 总体结构确定机器人的总体结构是由机体（躯体） 、腿部件两部分组成 。机体的作用是将多个腿部件和控制部件有机地连接在一起，并且
13、承受一定的负载 。腿部件的作用是支撑整个机体，并完成机器人步行运动 。采用液压驱动的关节式腿机构，且各腿模块采用仿昆虫类方式进行布置，机器人整体机构模型，如图 2 所示 。图 2 液压驱动四足步行机器人机构模型图3 机械结构参数设计3.1 腿节长度优化如图 1 所示 。L1、L2、L3单腿的髋关节腿节，大 、小腿节长度， 髋关节转角， 大腿关节转角， 小腿关节转角 。四足步行机器人腿节较多（包括髋关节 、大腿关节和小腿关节），使得步行机器人在运动时具有较好的灵活性 。各腿节之间的长度关系对腿部的灵活性以及机器人的整体性能有较大影响，因此，如何在单腿总长一定的情况下实现各腿节长度的优化分配是非常
14、重要的 。3.1.1 各腿节长度对步行机器人运动速度的影响当腿机构运动到某一位置时，足端点 C 的运动轨迹方程：xc=ucos； yc=usin； zc=-h （ 1）其中：u=L1+L2cos+L3cos（ +） （ 2）h=L2sin+L3sin（ +） （ 3）由式（ 1） （ 3）得到：yc=R=usin=（ L1+L2cos+L3cos（ +） sin （ 4）yc即为足行程或腿跨距 R。上式分别对 Li（ i=1， 2， 3）求导可得：坠R坠L1=sin，坠R坠L2=sincos，坠R坠L3=sincos（ +） （ 5）由式（ 5）可见，步行机器人的腿跨距 R 对杆长 L1最敏感
15、，进而对步行机器人的运动速度影响最大，因此，在单腿总长 L 一定的情况下，希望 L1取值越大越好，此时在步行机器人步调（单位时间内腿摆动的次数）一定的情况下，速度越快 。3.1.2 各腿节长度对步行机器人越障能力的影响L1L2L3KH0图 3 步行机器人越障示意图如图 3 所示，步行机器人的最大越障高度为： H0=L2+L3-h （ 6）可见，在单腿总长 L 一定的情况下， L2+L3越大，则机器人越第 10 期 朱学彪：液压驱动四足机器人机械结构设计 177障 高度越大，即越障能力越强，此时 L1最小 。3.1.3 腿节长度对步行机器人足端运动空间的影响对腿部三连杆机构足端的平面运动空间进行
16、分析，如图 4所示 。L1L2XZAOiB0B110F0E0y0G012D1C1E1F1D0y1y0G12y1L3C0图 4 四足步行机器人足端运动空间设髋关节连杆 L1OiA 长度，大腿杆 L2AB0长；小腿杆 L3B0C0长； 1， 2大 、小腿关节处的转角范围，如图 4 所示 。可得如下几何关系：S扇形 B0C0D0=S扇形 B1C1D1， S扇形 B0D0G0=S扇形 B1D1G1，S扇形 B0C0E0=S扇形 B1C1E1， S扇形 B0G0F0=S扇形 B1G1F1，如图 4 所示，中阴影部分即为四足步行机器人腿机构足端在平面内的运动区域，该区域面积越大，则足端的可选立足点越多，即
17、腿运动越灵活 。令 L1=a， L1+L2+L3=L，则 L2=L-L3-a，代入上式，SE0E1F1F0= 1cos0-cos1! “L3L-L3-! “a （ 7）令 f（ L3） = 1cos0-cos1! “L3L-L3-! “a （ 8）坠f坠L3= 1cos0-cos1! “L-2L3-! “a =0 （ 9）求解可得： L3=L-a2（ 10）即当 L2=L3=L-a2时，足端工作空间面积最大 。3.1.4 腿节比例对机器人运动灵活性的影响机体的灵活性评价指标可用文献6提出的灵活度概念作为评价指标 。机体位姿可用 X， Y， Z， ， ，# $ 6 个参数表示，其分别为机体坐标系
18、相对于地面坐标系 XYZ 三轴直线位移和角位移 。由于多链并联机构的限制，步行机器人在某一位姿时机体位姿参数单独变化，将各有一定的变化范围，设 SX=Xmax-Xmin， SY=Ymax-Ymin， SZ=Zmax=Zmin， X=max-min， Y=max-min， Z=max-min令灵活度 FB=1612LSX+SY+SZ! “+1180X+Y+Z# $# $（ 11）式中： L 单腿的长度 。由于 X， Y， Z缀 -L，% &L ，且一般情况 ， 缀 -90， 90% &（超出不计），所以 FB 是一个 0，% &1 之间的无量纲参数 。灵活度是结构参数和所处位姿的函数，它反映了多
19、足步行机的整体灵活性 。综上所述，在对步行机器人运动速度 、越障能力 、运动空间以及腿部和机体灵活性进行分析后，并参照仿生机械蟹的比例，并考虑到液压缸 、连接铰链的安装，确定腿部各关节比例为：K1:K2:K3=0.15:0.425:0.425（ 12）单 腿 总 长 为 L=400mm，各腿节长度为： L1=60mm，L2=170mm， L3=170mm；3.2 机器人机体设计对四足步行机器人机体进行有效的优化设计，在保证机体刚度和强度的条件下使得机体质量最轻，对于提高步行机器人的载重能力以及运动效率具有重要意义 。3.2.1 角度规划与机体结构之间的关系 角度即为腿部髋关节的摆动角度 。一方
20、面，如果 过小，则会影响步行机器人的行走步长 （指在一个完整腿循环中机体移动的水平距离），从而影响步行机器人的行走速度；另一方面，如果摆动角度 过大，有可能在摆动过程中前后两腿发生干涉 。为了不发生干涉，则需要将机体加长，如果加上所承载重物以及液压油源的振动，极有可能会激发机构的某种模态，产生共振，进而影响机构的稳定性 。为了使机体能够承受一定的负载且不发生变形及稳定性等原因需要进一步将机体的厚度增大，而此时又进一步的增大了机体的重量即支撑腿的负载，则又需增大液压缸 /马达的输出力矩，进一步增大了整个结构的尺寸，与结构设计的紧凑性相矛盾，可见， 角度大小对机体的结构设计具有重要影响 。3.2.
21、2 步行机构稳定性与机体结构之间的关系机体设计的合理与否对步行机器人整体运动稳定性有着重要影响，当机体长宽比例设计不合理时，重心发生偏移，会导致机体发生倾翻现象 。根据经验值，初步确定机体长宽比例为： 0.75。4 结论在完成液压驱动四足机器人的机械结构参数的设计后，首先运用 Pro/Engineer软件对四足步行机器人进行三维实体建模，再借助于 ADAMS与 Pro/Engineer 的接口模块 Mechanism/Pro 进行数据转换，将步行机器人三维实体模型转换为 ADAMS仿真机构，最后在ADAMS环境中进行运动仿真及后处理对步行机器人的行走过程进行了仿真 。得出以下仿真结果：（ 1）
22、由步行机器人机体运动轨迹图，可见：在步行机器人各足踏地瞬间，步行机器人由于受到冲进，在竖直方向上产生震荡，不过震荡幅值不大 。（ 2）步行机器人各足端在竖直方向上运动轨迹图，可见：步行机器人依次完成摆腿动作，在第一条腿和第四条腿摆动的瞬间，步行机器人出现失稳，说明步行机器人的稳定性还需要进一步设计 。（ 3） 由步行机器人在运动方向上的轨迹图，步行机器人依次摆腿，间隔为一个 “抬腿 -跨越 -落地 ”周期，时间0.6s。机械结构部分能够满足四足机器人的最初设计要求 。参考文献1 R.S.Mosher. Test and Evaluation of a Versatile Walking Tru
23、ck. Off-RoadMobilityResearchSymp J .1968： 3593792 Samuel N. Cubero. A 6-Legged Hybrid Walking and Wheeled Vehicle J .7th International Conference on Mechatronics and Machine Vision inPractice， 1995： 2933023 曾桂英，刘少军 .六足步行机器人的设计研究 J .机床与液压， 2005（ 6） :1021034王沫楠 .仿生机器蟹机构设计及结构参数优化 J .机械与电子， 2004（ 8） :37405 钟勇，朱建新 .一种新的机器人工作空间求解方法 J .机床与液压， 2004（ 4） :66676赵铁石 .仿蟹步行机构模型灵活度分析 J .中国机械工程， 1998， 9（ 3） :5254机械设计与制造No.10Oct.2010178
