基于液压驱动的四足步行机器人设计与仿真.pdf

第 5期 总第 1 8 0期 2 0 1 3年 1 O月 机 械 工 程 与 自 动 化 ME CHANI CAL ENGI NEE RI NG AUTOMA， r I N No． 5 Oc t ． 文章编号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 3 0 5 0 0 7 4 0 2 基于液压驱动的四足步行机器人设计与仿真 彭松 涛，张文 志，周 伟 ，杜 强 内蒙古工业大 学 机械学 院，内蒙古 呼和浩特0 1 0 0 5 1 摘要 采用液压伺服系统 ．在结构上仿照哺乳类动物 的运动方式，设计 了机器 人的机械 结构 。通过建 立动力 学模型 ，利用虚拟样机 仿真软 件 AD AMS ／ Vi e w 和 AD AMS ／ Hy d r a u l i c s进行 性能和 参数 的运 动仿 真分 析研 究，并通过实验验 证 了所设计的机器入可行 ，运行 良好。 关键词 步行机器人 ；液压伺服系统 ；虚拟样机 ；运动仿真 中图分类号 TP 2 4 2 文献标识码 A 0 引言 机器人 是一 个集 机 电液 于 一体 的产 品 ， 现 已广 泛 应用 于工业 生 产和人们 的 日常 生活 中 。其 中的足式 系 列虽 然 只有近 4 0年 的历史 ， 但 是 由于它 独特 的适应 性 和 拟人性 ， 正成 为机 器人领 域 的一个 重要 发展 方 向 。 1 9 6 8年美国首 次设计 制造 的四足步行机器人 以 及完全由我国设计的万 向轮式移动机器人表 明， 对 四 足 步行机 器人 的研究 已取 得 了一 系列 重 大 的突 破 ， 四 足式 机器人 具 有 良好 的环 境适应 性 ， 能在 山地 、 丘 陵等 复 杂地形 行走 n ] 。 1 整体 结构设 计 在传统的设计过程中， 在产品设计完成后 ， 通常要 制造样机来验证设计， 通过试验来找出缺陷， 回头再修 改设 计 ， 并 再制 造 物理 样 机 来 试 验 。这 既 延 长 了设 计 周期 ， 又增加了成本。目前更为有效 的办法是利用 虚 拟样机技术来分析产品的各项性能。 利用 P r o ／ E建立机器人 的三维实体模型 ， 如 图 l 所 示 。机器 人 的 外 形 尺 寸 为 l 8 0 0 ． 0 mm 1 1 2 0 ． 0 n l m X 1 4 48 ． 6 mm 图 l 机器人的实体模型 通过软件建立机器人的三维实体模型可以全面地 反映其几何特性 、 尺寸大小 、 质量分 布、 各几何体之间 的装 配关 系 、 公差 以及 装配 时是 否发 生 干涉现 象 等 。 2液压 系统设计 传动机构是机器人 的重要组成部分 ， 其作用是将 原动机提供的能量传递给工作机构 ， 来实现预定的运 动[ 2 ] 。目前 ， 机械行业 中主要有电气传动 、 液压传动和 气压传动这 3类方式 。本例中采用液压传动方式 。 液压传动 中液压系统基本上 由能源元件 、 执行元 件 、 调节控制元件、 辅助元件和工作介质 5部分组成。 首先 ， 根据主机的运动要求确定能源元件的类型 ， 按照机械设计手册选择原动力机和液压泵的类型。由 于足式机器人实现的是独立行走 ， 因此原动力机一般 为汽油机或是柴油机， 根据设计的机器人的负载 ， 采用 柴油机为液压泵提供动力。液压泵可分为定量泵和变 量泵， 因此供油方式 主要有定量变压 和恒压变量两种 方式。由于恒压变量供油能提高液压系统的效率， 减 小液压系统的体积和重量， 因此足式机器人 的液压系 统采用 该种 方式供 油 。液压 泵选 择单 叶 片泵 J 。 根据载荷初步选定液压系统的工作压力 为 P 一1 6 MP a ， 取外载荷 F一2 O k N， 可得出液压缸 的外径 D一 3 ． 5 7 x 1 0 ／ F ／ 一3 9 ． 9 mm， 圆整 为 4 0 mm。 根据速度比 的要求计算活塞杆直径 d D ／ 1 ／ 2 2 ． 4 5 mm， 圆整 为 2 2 mm。 其次 ， 是各种调节控制元件 的选择， 主要有方 向控 制阀、 压力控制阀和流量控制阀。根据分析， 机器人液 压系统主要是对液压油流量进行控制， 因此采 用流量 控制阀比较合理 。其原理是通过调节流量阀阀 口通流 面积的大小来改变流过 阀 口的液体流量 ] 。其 中， 节 流阀、 调速阀、 分流集流阀和限速关闭阀用的比较 多。 收稿 日期 2 0 1 3 0 3 0 3 ；修回 日期 2 0 1 3 0 4 1 8 作者简介 彭松涛 1 9 8 3 一 ，男 ．内蒙 占呼和浩特人 ，在读硕士研究生 ，研究方向为机器人技术 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3年 第 5期 彭松 涛 ， 等 基于液压驱动 的四足步行机 器人 设计与仿 真 7 5 最后 ， 确定辅助元件和工作介质。辅助元件包括 蓄能器 、 滤油器、 密封件、 油箱 、 热交换器和管接头 等。 这 些元 件在 液 压 系统 中起到 辅助 作用 ， 是 不可或 缺 的 ， 用以保证系统有效 、 安全地工作。蓄能器作为辅助动 力源 ， 吸收液压冲击 和消除压力脉动， 维持系统恒压和 补充泄漏。油箱储存油液， 兼有散热的功能。由于伺服 系统对油液清洁度要求较高 ， 因此需要采用精过滤器。 综上所述 ， 足式机器人的液压 系统是高效能的伺 服系统 。根据分析结果 ， 设计其液压系统原理图， 如图 2所 示 。 1一油 箱 { 2， 6 一 过 滤 器 ； 3一双 向 定 量 泵 ； 4一单 向 阀 ； 5 一溢流阀 ； 7 ～温度计 ； 8 一压力计 ； 9 ， 1 0 ， 1 1 一电液伺服阀； 1 2 ， 1 3 1 4 一双作用单活塞 液压缸 图 2机器 人液压 系统原理 图 由于机 器人 腿部 有 3个 自由度 ， 因此 ， 我们 决 定采 用 3个液压缸。3个电液伺服阀分别控制 3 个液压缸 的伸 缩运 动 。在 进油 口处 装 有 1 个 精 滤 油 器 ， 由单 项 阀防止液压油倒流。溢流阀的作用是防止系统压力超 过预先设定的压力值。蓄能器起应急供油作用 。冷却 形式为风冷 ， 压力表显示系统在工作时的压力值 。 3机器 人直 线行 走步 态仿 真 将有关驱动函数导人虚拟样机 中， 观察机器人的 运动情况 ， 得到机器人的仿真结果 ， 如图 3所示 。 图 3 a 为机器人机架偏离重心的仿真结果 ， 可 以 看 出 ， 在 5 ． 5 S 时机 器人 的重 心 出现 了 比较 大 的 波 动 ， 从 AD AMs ／ Vi e w后 处理模 块 中可 以得 出其起 伏 的最 大值 约 为 5 0 mm， 该 数据 基 本 符合 我 们 预先 设 定 的 范 围， 比较理想。这种现象在实际运行中是不可避免的， 主要是 由于机器人在前进过程中足端和地面之间出现 了打滑L 5 ] 。为解决该问题， 目前普遍采用的方法是利 用 S TE P 5函数的插值 ， 使机器人的重心在调整的过程 中 减少起 伏 。 图 3 b 为机器人在前进方 向上的速度曲线 ， 机器 人重心不动时其速度为 0 mm／ s ， 在 5 ． 5 S时机器人重 心 往 右前 方移 动 ， 使机 器 人 出现 了最 大 爬 行 速 度 8 6 ． 5 mm／ s 。当一个步态周期结束后 ， 根据机器人前 进的距离及步态周期 ， 可以计算得到机器人 的平均前 进速度为 4 3 ． 6 mm／ s 。该速度值 比较小 ， 主要是 由于 我们设定的步态周期太长、 步幅太小造成的， 因此在控 制样机时 ， 在路况允许的条件下可以通过减小步态周 期及加大步幅的方法来提高机器人的爬行速度 。 50 40 30 目 2O 1 O 键0 一 1 0 - 2 0 - 3 0 9O 75 6o 昌 4 5 3O 1 5 0 一 l 5 0 2 4 6 8 1 0 l 2 t l s a 机 器人 机架偏离重心 的距离 f l f 、 f l r I l I J I f I J J l f I l 1 0 2 4 6 8 l 0 l 2 t ／ s b 机器人机架 的速 度 图 3机器 人的运动仿真结果 4 结语 本文基于液压伺服 系统设计 了机 器人的机械结 构 ， 建立了其动力学模型 ， 并 引用虚拟样机仿真软件对 机器人 的直线行走步态进行了仿真 ， 结果表明机器人 的运行 基本 上 达到 了预先设 定 的范 围 ， 运行 良好 。 参考文献 [ 1 ] 陈学东． 多 足步行 机器人 运动规划 与控 制[ M] ． 武汉 华 中科技大学 出版社 ， 2 0 0 6 ． E z ] S h i g e o Hi r o s e ．Hi r o k i T a k e u c h i ． S t u d y o n r o l l e r w a l k b a s i c c h a r a c t e r i s t i c s a n d i t s c o n t r o l r C] ／ ／ P r o c 1 CRA． M i n n e a p o l i s ，M i n n e s o t a I E EE， 1 9 9 6 3 2 6 6 3 2 6 9 ． [ 3 3 雷秀． 液压与气压传动[ M] ． 北京 机械工业出版社 ． 2 0 0 5 ． 1- 4 ] 金康进 ， 李 勇， 施 光林． 基 于 A D AMS的液压 控制 系统仿 真[ J ] ． 液压与气动 ， 2 0 0 6 7 4 - 6 ． [ 5 ] 余新康 ， 王健． 基于 A D AMS的液压系统虚拟样机[ J ] ． 煤 矿机 械 ， 2 0 0 3 1 1 4 2 4 3 ． De s i g n a nd S i m u l a t i o n o f Hy d r a u l i c dr i v e n Fo u r l e g g e d Ro b o t P ENG S o n g - t a o 。Z HANG We n - z h i ，Z HOU We i ，DU Qi a n g Co l l e g e o f M e c ha n i c a l En gi n e e r i n g，I n n e r M o n g o l i a Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y，Ho h h o t 01 0 0 5 1，Ch i n a Ab s t r a c t A n e w k i n d o f wa l k i n g r o b o t wi t h h y d r a u l i c s e r v o s y s t e m wa s d e s i g n e d，wh o s e mo t i o n mo d e wa s s i mi l a r t O t h e ma mma l s ． By e s t a b l i s h i n g t h e d y n a mi c mo d e l o f t h e r o b o t ，t h e mo t i o n s i mu l a t io n o f t h e r o b o t wa s c a r r i e d O U t b y ADAMS ／ Vi e w a n d ADAMS ／ Hy d r a u l i c s ．Th e e x p e r i me n t a l r e s u l t s s h o w t h a t t h e d e s i g n o f r o b o t i s f e a s i b l e ． Ke y wo r d s wa l k i n g r o b o t ；h y d r a u l i c s e r v o s y s t e m ；v i r t u a l p r o t o t y p e ；mo t i o n s i mu l a t i o n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m