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摘 要：当前，足式机器人成为机器人领域中的一个重要研究方向，对其液压缸设计展开研究十分必要。本文对足式机器人单腿子系统仿真实验进行了分析，并介绍了单腿子系统机器人的液压缸设计，以期能为类似机器人液压缸设计提供参考。
关键词：单腿机器人；液压缸；设计
引言
随着科学的发展以及技术的不断进步，机器人作为机电液一体化技术的典型产品，得到了迅猛的发展，并逐渐在日常生活生产以及工业中得到推广应用。其中，足式机器人是一个重要的分支，具有良好的环境适应能力，是机器人领域研究的重要方向。而液压驱动相对于电气驱动，具有更大的功率质量比，在机器人驱动系统中具有良好的应用价值。
1.足式机器人单腿子系统仿真实验
通过Adams建立单腿子系统虚拟样机模型，该机器人腿部结构有髋关节和膝关节两个自由度，整个机器人由机身，大腿，小腿，液压缸以及连杆机构所组成，机器人由位于机身的兩个并联液压缸驱动，液压缸近似水平竖直布置。
单腿子系统虚拟样机各关节构件参数如表1所示。
本文应用MATLAB/Simulink模块搭建机器人控制系统，如图1所示。Adams模块与控制模块互相传输数据，控制模块输入Adams模块控制信号，Adams输出控制模块所需的状态参数。
通过仿真实验得到本文液压缸设计所需的数据结果，水平液压缸和竖直液压缸受力情况以及机器人足端轨迹如图2所示。从仿真结果可以看出水平液压缸受力最大约为6000N，竖直液压缸约为8000N，根据液压缸受力情况以及机器人的足端轨迹，接下来对液压缸进行设计选型工作。
2.液压缸设计以及伺服阀的选型
由于液压缸经常做等速往复运动，根据液压缸受力情况以及机器人运动范围，本文选用双出杆液压缸。首先确定液压缸工作压力为16Mpa，然后确定液压缸缸筒内径，考虑到减重要求，本文选用缸筒内径为28mm。
然后根据液压缸受力情况选择液压缸活塞杆直径。根据仿真结果，水平液压缸最大受力6000N，竖直液压缸最大受力8000N，则液压缸活塞杆直径计算公式如下：
其中，D为液压缸缸筒内经，d为活塞杆外径，ps为工作压力，Fmax为液压缸所受最大力。
计算得到竖直液压缸活塞杆直径12.2mm，水平液压缸活塞杆直径为17.5mm，根据液压缸活塞杆直径国家系列标准，经过圆整，本文竖直液压缸活塞杆直径选用12mm，水平缸选用16mm。
然后根据机器人足端轨迹计算得到液压缸行程，设机器人足端轨迹为Qx，Qy，根据运动学解算得到水平与竖直液压缸铰接点坐标为，Qx，Qy设水平液压缸与机身连接点坐标为Q1x，Q1y，竖直液压缸与机身连接点坐标为Q2x，Q2y，则水平与竖直液压缸长度计算公式如下：
根据计算结果得到水平液压缸行程为112mm，竖直液压缸行程大约43mm。
接下来进行液压缸伺服阀的选型工作。液压缸的选型主要根据液压缸的流量来选取。下面分别根据式（4）计算水平竖直液压缸空载流量。
其中，Q0为空载流量，As为液压缸面积，vmax为液压缸最大速度。
因此，计算液压缸流量必须知道液压缸的速度，本文从仿真实验中得到液压缸速度，如图3所示。
由上述仿真实验结果可知，水平液压缸最大速度约为2m/s，根据式（4）得到水平液压缸最大空载流量为86L/min，竖直液压缸最大速度为0.65m/s，根据公式计算得到最大空载流量为34L/min。
根据计算得到的液压缸流量，查找液压缸伺服阀手册，本文选用型号为HY150电液伺服阀。
根据计算得到的液压缸参数以及选用的伺服阀进行液压缸结构设计，分别设计了水平液压缸与竖直液压缸。
3.液压缸有限元分析
为保障本文设计的液压缸满足强度要求，对液压缸进行有限元分析。本文所设计的液压缸材料选用铝合金7079。水平液压缸工作压力为16Mpa，最大推力为6000N，竖直液压缸工作压力16Mpa，最大推力为8000N，水平液压缸最大应力为116Mpa，竖直液压缸为119Mpa，均小于铝合金
7079的200Mpa屈服极限，所以液压缸设计满足强度要求。
4.结语
综上所述，液压缸能够将液压转变为机械能，做直线往返运动，具有结构简单、工作可靠的特点，在单腿机器人中得到广泛应用。本文根据单腿子系统仿真实验得到的液压缸设计参数，对液压缸的结构进行了设计，通过分析验证该液压缸满足机器人的应用需求，对类似设计具有一定的参考价值。
参考文献：
[1]超高压水射流破拆机器人液压系统设计与研究[J].邓三鹏，杨文举，祁宇明，苗德华.液压与气动.2016（01）
[2]液压驱动型负重外骨骼机器人液压系统设计[J].周加永，张昂，莫新民，赵浩，纪平鑫.机床与液压.2016（21）
[3]液压驱动仿生多足机器人单腿设计与试验[J].陈志伟，金波，朱世强，黄翰林，陈刚.农业工程学报.2016 （05）
关键词：单腿机器人；液压缸；设计
引言
随着科学的发展以及技术的不断进步，机器人作为机电液一体化技术的典型产品，得到了迅猛的发展，并逐渐在日常生活生产以及工业中得到推广应用。其中，足式机器人是一个重要的分支，具有良好的环境适应能力，是机器人领域研究的重要方向。而液压驱动相对于电气驱动，具有更大的功率质量比，在机器人驱动系统中具有良好的应用价值。
1.足式机器人单腿子系统仿真实验
通过Adams建立单腿子系统虚拟样机模型，该机器人腿部结构有髋关节和膝关节两个自由度，整个机器人由机身，大腿，小腿，液压缸以及连杆机构所组成，机器人由位于机身的兩个并联液压缸驱动，液压缸近似水平竖直布置。
单腿子系统虚拟样机各关节构件参数如表1所示。
本文应用MATLAB/Simulink模块搭建机器人控制系统，如图1所示。Adams模块与控制模块互相传输数据，控制模块输入Adams模块控制信号，Adams输出控制模块所需的状态参数。
通过仿真实验得到本文液压缸设计所需的数据结果，水平液压缸和竖直液压缸受力情况以及机器人足端轨迹如图2所示。从仿真结果可以看出水平液压缸受力最大约为6000N，竖直液压缸约为8000N，根据液压缸受力情况以及机器人的足端轨迹，接下来对液压缸进行设计选型工作。
2.液压缸设计以及伺服阀的选型
由于液压缸经常做等速往复运动，根据液压缸受力情况以及机器人运动范围，本文选用双出杆液压缸。首先确定液压缸工作压力为16Mpa，然后确定液压缸缸筒内径，考虑到减重要求，本文选用缸筒内径为28mm。
然后根据液压缸受力情况选择液压缸活塞杆直径。根据仿真结果，水平液压缸最大受力6000N，竖直液压缸最大受力8000N，则液压缸活塞杆直径计算公式如下：
其中，D为液压缸缸筒内经，d为活塞杆外径，ps为工作压力，Fmax为液压缸所受最大力。
计算得到竖直液压缸活塞杆直径12.2mm，水平液压缸活塞杆直径为17.5mm，根据液压缸活塞杆直径国家系列标准，经过圆整，本文竖直液压缸活塞杆直径选用12mm，水平缸选用16mm。
然后根据机器人足端轨迹计算得到液压缸行程，设机器人足端轨迹为Qx，Qy，根据运动学解算得到水平与竖直液压缸铰接点坐标为，Qx，Qy设水平液压缸与机身连接点坐标为Q1x，Q1y，竖直液压缸与机身连接点坐标为Q2x，Q2y，则水平与竖直液压缸长度计算公式如下：
根据计算结果得到水平液压缸行程为112mm，竖直液压缸行程大约43mm。
接下来进行液压缸伺服阀的选型工作。液压缸的选型主要根据液压缸的流量来选取。下面分别根据式（4）计算水平竖直液压缸空载流量。
其中，Q0为空载流量，As为液压缸面积，vmax为液压缸最大速度。
因此，计算液压缸流量必须知道液压缸的速度，本文从仿真实验中得到液压缸速度，如图3所示。
由上述仿真实验结果可知，水平液压缸最大速度约为2m/s，根据式（4）得到水平液压缸最大空载流量为86L/min，竖直液压缸最大速度为0.65m/s，根据公式计算得到最大空载流量为34L/min。
根据计算得到的液压缸流量，查找液压缸伺服阀手册，本文选用型号为HY150电液伺服阀。
根据计算得到的液压缸参数以及选用的伺服阀进行液压缸结构设计，分别设计了水平液压缸与竖直液压缸。
3.液压缸有限元分析
为保障本文设计的液压缸满足强度要求，对液压缸进行有限元分析。本文所设计的液压缸材料选用铝合金7079。水平液压缸工作压力为16Mpa，最大推力为6000N，竖直液压缸工作压力16Mpa，最大推力为8000N，水平液压缸最大应力为116Mpa，竖直液压缸为119Mpa，均小于铝合金
7079的200Mpa屈服极限，所以液压缸设计满足强度要求。
4.结语
综上所述，液压缸能够将液压转变为机械能，做直线往返运动，具有结构简单、工作可靠的特点，在单腿机器人中得到广泛应用。本文根据单腿子系统仿真实验得到的液压缸设计参数，对液压缸的结构进行了设计，通过分析验证该液压缸满足机器人的应用需求，对类似设计具有一定的参考价值。
参考文献：
[1]超高压水射流破拆机器人液压系统设计与研究[J].邓三鹏，杨文举，祁宇明，苗德华.液压与气动.2016（01）
[2]液压驱动型负重外骨骼机器人液压系统设计[J].周加永，张昂，莫新民，赵浩，纪平鑫.机床与液压.2016（21）
[3]液压驱动仿生多足机器人单腿设计与试验[J].陈志伟，金波，朱世强，黄翰林，陈刚.农业工程学报.2016 （05）