1总体方案设计
如图1所示，本机器人的步行机构由6条步行腿组成，对称安置于机体两侧，同侧前后2条步行腿与另一侧中间1条步行腿为一组，采用交替三角形步态［4］运动进行行走，即行走时，相间隔的3条步行腿同时着地支撑机体，另3条步行腿进行抬腿迈步运动，以此交替运动使机体前行运动［5］。整个步行机器只需1个电机带动控制3条传动轴即可实现整机6条步行腿的三角形步态运动。步行机构的结构、传动原理如图2所示，3条传动轴平行等距均匀的安装在机架上，每条传动轴两端均有安装相互错开180°的曲柄，并且3条转动轴之间的同侧曲柄安装也相互错开180°，曲柄通过连杆机构带动步行腿前后运动，从而实现机器的三角形运动步态。步行机构由1个电动机带动，经过链传动使3条传动轴转动。每条传动轴的两端均安装有1条步行腿，一共6条步行腿，分为A、B两组;其中，机体同侧前后步行腿与另一侧中间步行腿为一组;3条传动轴的转动带动步行腿的抬升与下降，当A组3条步行腿抬升离地时，B组3条步行腿下降着地支撑机架。
2主要结构设计与动力学分析
2．1步行腿结构设计
每条步行腿均由曲柄、连杆、摇杆、单杆式直线液压油缸和机架组成曲柄摇杆机构组成，每条步行腿的结构如图3所示，6条步行腿的油缸通过油管互相连通，并灌满了液压油，油路中设置了补油缸。曲柄由传动轴带动旋转，通过连杆带动摇杆抬升与下降。当A组步行腿的摇杆1抬升，摇杆2离地时;B组步行腿摇杆1下降，摇杆2着地;B组步行腿摇杆2着地后受到机体本身重力和补油压力，油缸受力往后回缩，使B组步行腿油缸中的液压油通过油路流到A组步行腿油缸中;而此时，A组步行腿摇杆2是离地悬空的状态，它的油缸就会在油路压力的作用下外伸，实现小腿的向前迈伸。同理，当A组步行腿着地支撑机架时，B组步行腿就向前迈伸，实现行走功能。
2．2步行机构动力学分析
2．2．1步行机构自由度分析根据机构自由度计算公式式中，F为机构自由度;n为机构中活动构件数;PL为低副数;PH为高副数;如图3所示，本步行机构中的活动构件数为n=6，低副数为PL=8，其中C处是3个构件组成的复合铰链，具有2个转动副，高副数为PH=0;由式(1)计算本步行机构具有(F=3×6－2×8=2)2个自由度，其中曲柄、液压油缸为原动件;该机构原动件数目等于自由度数目，说明该机构具有确定的运动。为便于分析，将步行机构分解为2个简单机构:曲柄、连杆、摇杆1和机架组成曲柄摇杆机构;摇杆1、摇杆2和直线液压缸组成步行腿机构。2．2．2曲柄摇杆机构运动分析平面四杆机构中是否存在曲柄，与各杆尺寸有关。设4个构件中最长杆的长度为Lmax，最短杆的长度为Lmin，其余2个杆件的长度分别为LA和LB，则曲。2．2．3步行腿机构运动分析如图4所示，该步行腿机构的摇杆1、摇杆2、直线液压油缸组成了平面运动机构，曲柄连杆机构和液压油缸驱动该平面机构运动。摇杆1在A点围绕与摇杆1、摇杆2运动平面垂直的轴转动;摇杆2在C点围绕与摇杆1、摇杆2运动平面垂直的轴转动;直线液压油缸一方面在B点围绕与摇杆1、摇杆2运动平面垂直的轴转动，另一方面沿液压缸直线运动。其中，摇杆2下端的运动轨迹分析如下:把曲柄从最高位置开始，按顺时针方向等分为8个位置，从工作工程中可知，曲柄从1点运动到5点时小腿往后压缩油缸，腿端往后运动，推动机体前进。如果油缸在运动过程中，活塞行程为最大(50mm)时，小腿末端往后运动约80mm，同时往下约5．6mm。因此，该机构可通过电机转速和液压油缸的伸缩量改变行走步长，每步行走时，上下波动，波动量为行走步长的6．9%。曲柄从5点运动到1点时油缸伸长往前踢腿，小腿末端基本水平向前踢。2．2．4步行腿力学分析如图5所示，选取曲柄绕1～5点运动，摇杆2下端、直线液压油缸往下压时的5个点1、2、3、4、5进行分析。在曲柄的运动轨迹中分析1－2－3－4－5点，直线液压油缸分别在没有伸缩、伸长一半、全伸3个位置时，共15种情况下摇杆2下端受力F2和液压油缸的压力F3，从而计算出摇杆2下端最大压力F2和油缸最大压力F3，受力分析如图5所示。
3步行腿机构样机及行走试验结果
根据以上步行腿结构设计和步行腿液压系统器件的设计计算选择，制作如图8所示的步行腿机构样机，并进行行走可行性试验。结果表明，本机构可以实现三角形步态运动的行走，而且机体上下波动较小，运行平稳。理论上，每步行走时的上下波动只有行走步长的6．9%。但6条步行腿串联连接恒压贮油缸，故在实际行走时具有一定的减震性能，即行走时身体的波动要小于步长的6．9%。试验结果说明文中步行腿的结构设计方案和机械原理可行，可以用于六足步行机器人设计应用领域和拓展机械课程设计及教学应用的领域。
作者：张久雷 单位：罗定职业技术学院
