蜘蛛機器人設計研究

吳凱 江亞龍 殷建

摘 要：蜘蛛機器人是針對在狹小通道和深井的探測、搜索、救援工作。以真正實現(xiàn)海陸空搜尋機器人系統(tǒng)全方位的搜救。作為本文的研究重點是對蜘蛛機器人的機械零部件、行走機構(gòu)、驅(qū)動控制和信息反饋及處理做了詳細的分析和設計，使得蜘蛛機器人滿足靈活、小巧、經(jīng)濟的要求。使得蜘蛛機器人完全異于普通搜救機器人。為蜘蛛機器人設計了強大的機械手臂庫，提高其應用范圍使得蜘蛛機器人不僅能實現(xiàn)探索，更能替人在無法到達的環(huán)境工作。

關鍵詞：深井搜救；管道探測；蜘蛛；機器人

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A

在21世紀的今天，隨著自然災害、恐怖活動和各種突然事故發(fā)生的越來越多，在災難救援中，救援人員用較短的時間在廢墟中尋找幸存者的幾率比較小，在這種緊急而危險的情況下，救援機器人可以為救援人員提供有效的幫助。因此那些經(jīng)常接觸不到和容易被人忽略的死角，例如通風管道，就成為我們重點監(jiān)測的對象。深井搜救和管道探測在搜救過程中顯得尤為重要。在保證搜救人員的安全前提下，提高搜救效率是當今社會關注的焦點。近十年來，美國、日本等西方發(fā)達國家在地震、火災等救援機器人的研究方面做了大量的工作。日本大阪大學研制出蛇形機器人，能在高低不平的模擬廢墟上前進，其頂端帶有1部小型監(jiān)視器，身體部位安裝傳感器，可以在地震后的廢墟里尋找幸存者。2006年6月，中國礦業(yè)大學的機器人研究所成功研制了 “CUMT-1”礦井救災機器人，并對救災機器人的機構(gòu)設計做了一些有益的嘗試。

本文提出了蜘蛛機器人的概念設計，然后著重對創(chuàng)新設計的移動方式及強大的機械手臂庫做了詳細的論述。

2 蜘蛛機器人本體設計

通過對國內(nèi)外蜘蛛機器人移動方式的比較，蜘蛛機器人的前進方式有連桿機構(gòu)式、單桿機構(gòu)式和腹部蠕動式，連桿機構(gòu)和單桿機構(gòu)的運動方式類似于劃船時的船槳運動，是通過對壁面向后的摩擦力來實現(xiàn)前進，但是由于其返程路徑必須和原路徑不一致，因此都需要加入新的機構(gòu)和連桿機構(gòu)、單桿機構(gòu)進行組合，最終形成的機構(gòu)體積較為龐大，給日后進一步開發(fā)、實現(xiàn)小型化增添了困難。而腹部蠕動機構(gòu)則可以按原路徑進行返程運動，不需要添加新的機構(gòu)，因此結(jié)構(gòu)較為簡單，易于小型化。故腹部蠕動機構(gòu)適合于通風管道探測用的機器人。該蜘蛛機器人運動機構(gòu)分為：腿的伸出機構(gòu)、主體與底板的差動直線運動、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，如圖1所示結(jié)構(gòu)。

由于同一對腿實現(xiàn)同時伸出，同時收回，因此從經(jīng)濟性、體積小的角度出發(fā)，要求其實現(xiàn)，一個電機同時控制一對腿的伸出和收回，因此在腿的伸出機構(gòu)中需要有力的差動機構(gòu)。齒輪齒條機構(gòu)、連桿機構(gòu)、對稱雙連桿機構(gòu)、絲杠螺母副及滑輪機構(gòu)等均能實現(xiàn)上述目標，但齒輪齒條機構(gòu)的成本較高，不符合經(jīng)濟性；連桿機構(gòu)存在側(cè)向力，容易出現(xiàn)“卡死“現(xiàn)象；連桿對稱機構(gòu)雖無側(cè)向力，但是其中涉及的固定點難以設置，因此也不適合；絲杠螺母副及滑輪機構(gòu)，無側(cè)向力的存在，其價格適中，傳動比大，因此不需要減速機構(gòu)，而且具有自鎖性，可以實現(xiàn)腳的保持于某一位置不動，且伸出力也較大，把持力大，結(jié)構(gòu)小且簡單。同時，上面安裝的是滑輪和橡皮筋（考慮到經(jīng)濟性，用橡皮筋代替彈簧），價格便宜，安裝要求和難度較低，故采用該機構(gòu)。

蜘蛛機器人在運動時，主板與底板之間是差動直線運動，類似于蠶的蠕動過程。其要求運動要平穩(wěn)，且任意位置可停、可自鎖。曲柄滑塊機構(gòu)、絲杠螺母副均能實現(xiàn)差動直線運動，但曲柄滑塊機構(gòu)累計誤差大，機械效率低，且一般做變速運動，故運動不平穩(wěn)，且有慣性力，所以不適用于本機器人的機構(gòu)。絲杠螺母副價格適中，傳動比大，因此不需要減速機構(gòu)，而且具有自鎖性。

蜘蛛機器人通過對限位開關、電機等一系列的元器件的控制，使其能夠正常運作，即行走、轉(zhuǎn)向功能的實現(xiàn)。共需要使用14個限位開關。整個機器人采用順序控制，即由限位開關信號的順序來控制。通過對直流電機、步進電機和超聲直線電機的性能比較，機器人采用直流電機實現(xiàn)。通過對H橋集成功放電路設計和改進，即在基本H橋電路里添加旁路電容和續(xù)流二極管來保護電路，以實現(xiàn)對電機正反轉(zhuǎn)的控制。為實現(xiàn)初步行走，驗證設計思路的正確性，在機械本體做完后，設計加工撥動開關電路板，用手協(xié)調(diào)撥動開關，看其是否能夠預計運動路徑，經(jīng)檢驗，嚴格按預計要求運動，故上述設計思路正確。

3 蜘蛛機器人仿生機械手臂庫設計

為滿足蜘蛛機器人復雜工作環(huán)境和特殊工作任務的需要，不僅需要蜘蛛機器人以獨特的移動方式以保證能通過，還需要配備能滿足各種作業(yè)需求的手臂。更進一步提高蜘蛛機器人的實用性，也足以能應對任務執(zhí)行中遇到的各種問題。

機械臂（圖2）由3個旋轉(zhuǎn)關節(jié)、2個手臂構(gòu)成，前臂于機械手相連。其中，關節(jié)一繞運動平臺垂直方向旋轉(zhuǎn)，即在垂直與X-Y面旋轉(zhuǎn)，從而使得機械手臂能夠在水平面內(nèi)運動；關節(jié)二、三分別代表肩關節(jié)和肘關節(jié)，能夠保證機械臂在垂直面內(nèi)運動，即Y-Z面內(nèi)。三個關節(jié)自由度分布及三維仿真模型。

機械手臂庫的設計：

為滿足蜘蛛機器人復雜工作環(huán)境和特殊工作任務的需要，不僅需要給蜘蛛機器人配備以上兩種機械手臂，還需要配備能滿足各種作業(yè)需求的手臂。更進一步提高蜘蛛機器人的實用性，也足以能應對任務執(zhí)行中遇到的各種問題。如圖3所示為各種不同場合所需機械手臂庫。

由于機器人使用于管道、廢墟等復雜環(huán)境，因此需要配有視覺系統(tǒng)來控制機器人的運動以及搜救。通過設計配制攝像頭及遠程控制方式，來控制昆蟲機器人的視覺判斷。機器人所攜帶的視覺系統(tǒng)可以對所處環(huán)境有一定的識別，而身處其外的工作人員需要對管道情況進行監(jiān)控，必須要通過昆蟲機器人所攜帶的視覺系統(tǒng)傳回圖像，再對所收回的圖像進行分析并作出決策，傳給機器人，使其執(zhí)行搜救的決策。

結(jié)語

這款蜘蛛機器人具有以下三大特點：

一是真正的仿生機器人，其動作及外形都是根據(jù)蜘蛛外形設計研究而成。

二是采用攀爬式運動機構(gòu)，能成功的越過更多障礙，并且能在狹小空間里實現(xiàn)三維動作，提高機器人的工總性能和工作用途。

三是具有強大的機械手臂，既能用于管道探測，也能用于救援、偵察、排爆等集眾多功能與一身的強大機器人。

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作者簡介：吳凱，男，1992年，本科，銅陵學院，指導教師：殷建。