單腿子系統(tǒng)機(jī)器人液壓缸設(shè)計(jì)研究

曾磊

摘 要：當(dāng)前，足式機(jī)器人成為機(jī)器人領(lǐng)域中的一個(gè)重要研究方向，對(duì)其液壓缸設(shè)計(jì)展開研究十分必要。本文對(duì)足式機(jī)器人單腿子系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了分析，并介紹了單腿子系統(tǒng)機(jī)器人的液壓缸設(shè)計(jì)，以期能為類似機(jī)器人液壓缸設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：單腿機(jī)器人；液壓缸；設(shè)計(jì)

引言

隨著科學(xué)的發(fā)展以及技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)器人作為機(jī)電液一體化技術(shù)的典型產(chǎn)品，得到了迅猛的發(fā)展，并逐漸在日常生活生產(chǎn)以及工業(yè)中得到推廣應(yīng)用。其中，足式機(jī)器人是一個(gè)重要的分支，具有良好的環(huán)境適應(yīng)能力，是機(jī)器人領(lǐng)域研究的重要方向。而液壓驅(qū)動(dòng)相對(duì)于電氣驅(qū)動(dòng)，具有更大的功率質(zhì)量比，在機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中具有良好的應(yīng)用價(jià)值。

1.足式機(jī)器人單腿子系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)

通過Adams建立單腿子系統(tǒng)虛擬樣機(jī)模型，該機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)有髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)兩個(gè)自由度，整個(gè)機(jī)器人由機(jī)身，大腿，小腿，液壓缸以及連桿機(jī)構(gòu)所組成，機(jī)器人由位于機(jī)身的兩個(gè)并聯(lián)液壓缸驅(qū)動(dòng)，液壓缸近似水平豎直布置。

單腿子系統(tǒng)虛擬樣機(jī)各關(guān)節(jié)構(gòu)件參數(shù)如表1所示。

本文應(yīng)用MATLAB/Simulink模塊搭建機(jī)器人控制系統(tǒng)，如圖1所示。Adams模塊與控制模塊互相傳輸數(shù)據(jù)，控制模塊輸入Adams模塊控制信號(hào)，Adams輸出控制模塊所需的狀態(tài)參數(shù)。

通過仿真實(shí)驗(yàn)得到本文液壓缸設(shè)計(jì)所需的數(shù)據(jù)結(jié)果，水平液壓缸和豎直液壓缸受力情況以及機(jī)器人足端軌跡如圖2所示。從仿真結(jié)果可以看出水平液壓缸受力最大約為6000N，豎直液壓缸約為8000N，根據(jù)液壓缸受力情況以及機(jī)器人的足端軌跡，接下來對(duì)液壓缸進(jìn)行設(shè)計(jì)選型工作。

2.液壓缸設(shè)計(jì)以及伺服閥的選型

由于液壓缸經(jīng)常做等速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，根據(jù)液壓缸受力情況以及機(jī)器人運(yùn)動(dòng)范圍，本文選用雙出桿液壓缸。首先確定液壓缸工作壓力為16Mpa，然后確定液壓缸缸筒內(nèi)徑，考慮到減重要求，本文選用缸筒內(nèi)徑為28mm。

然后根據(jù)液壓缸受力情況選擇液壓缸活塞桿直徑。根據(jù)仿真結(jié)果，水平液壓缸最大受力6000N，豎直液壓缸最大受力8000N，則液壓缸活塞桿直徑計(jì)算公式如下：

其中，D為液壓缸缸筒內(nèi)經(jīng)，d為活塞桿外徑，ps為工作壓力，F(xiàn)max為液壓缸所受最大力。

計(jì)算得到豎直液壓缸活塞桿直徑12.2mm，水平液壓缸活塞桿直徑為17.5mm，根據(jù)液壓缸活塞桿直徑國家系列標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過圓整，本文豎直液壓缸活塞桿直徑選用12mm，水平缸選用16mm。

然后根據(jù)機(jī)器人足端軌跡計(jì)算得到液壓缸行程，設(shè)機(jī)器人足端軌跡為Qx，Qy，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)解算得到水平與豎直液壓缸鉸接點(diǎn)坐標(biāo)為，Qx，Qy設(shè)水平液壓缸與機(jī)身連接點(diǎn)坐標(biāo)為Q1x，Q1y，豎直液壓缸與機(jī)身連接點(diǎn)坐標(biāo)為Q2x，Q2y，則水平與豎直液壓缸長度計(jì)算公式如下：

根據(jù)計(jì)算結(jié)果得到水平液壓缸行程為112mm，豎直液壓缸行程大約43mm。

接下來進(jìn)行液壓缸伺服閥的選型工作。液壓缸的選型主要根據(jù)液壓缸的流量來選取。下面分別根據(jù)式（4）計(jì)算水平豎直液壓缸空載流量。

其中，Q0為空載流量，As為液壓缸面積，vmax為液壓缸最大速度。

因此，計(jì)算液壓缸流量必須知道液壓缸的速度，本文從仿真實(shí)驗(yàn)中得到液壓缸速度，如圖3所示。

由上述仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，水平液壓缸最大速度約為2m/s，根據(jù)式（4）得到水平液壓缸最大空載流量為86L/min，豎直液壓缸最大速度為0.65m/s，根據(jù)公式計(jì)算得到最大空載流量為34L/min。

根據(jù)計(jì)算得到的液壓缸流量，查找液壓缸伺服閥手冊(cè)，本文選用型號(hào)為HY150電液伺服閥。

根據(jù)計(jì)算得到的液壓缸參數(shù)以及選用的伺服閥進(jìn)行液壓缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分別設(shè)計(jì)了水平液壓缸與豎直液壓缸。

3.液壓缸有限元分析

為保障本文設(shè)計(jì)的液壓缸滿足強(qiáng)度要求，對(duì)液壓缸進(jìn)行有限元分析。本文所設(shè)計(jì)的液壓缸材料選用鋁合金7079。水平液壓缸工作壓力為16Mpa，最大推力為6000N，豎直液壓缸工作壓力16Mpa，最大推力為8000N，水平液壓缸最大應(yīng)力為116Mpa，豎直液壓缸為119Mpa，均小于鋁合金

7079的200Mpa屈服極限，所以液壓缸設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求。

4.結(jié)語

綜上所述，液壓缸能夠?qū)⒁簤恨D(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，做直線往返運(yùn)動(dòng)，具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠的特點(diǎn)，在單腿機(jī)器人中得到廣泛應(yīng)用。本文根據(jù)單腿子系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)得到的液壓缸設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)液壓缸的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，通過分析驗(yàn)證該液壓缸滿足機(jī)器人的應(yīng)用需求，對(duì)類似設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

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