八足蜘蛛機器人的設(shè)計與實現(xiàn)

蔣欣哲

（河南應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學院，河南 鄭州　450042）

八足蜘蛛機器人的設(shè)計與實現(xiàn)

蔣欣哲

（河南應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學院，河南 鄭州450042）

在自然界中，蜘蛛因其獨特的爬行機理可以在垂直的墻壁甚至倒立在天花板上行走。文章闡述了一個運用仿生學原理設(shè)計的八足蜘蛛機器人，最終的蜘蛛機器人可模仿現(xiàn)實當中蜘蛛的爬行方式在平地進行爬行運動，實現(xiàn)前進、后退、轉(zhuǎn)彎等動作，為進一步研究多足步行機器人提供了參考。

蜘蛛；爬行機理；仿生學；機器人

人類研究發(fā)現(xiàn)在崎嶇不平的路面上，與輪式、履帶式移動機器人相比，多足步行機器人具有獨特的優(yōu)越性。多足步行機器人的運動軌跡是一系列離散的足印，其運動時，只需要離散的點接觸地面，對環(huán)境的破壞程度也較小，可在能到達的地面上選擇最優(yōu)的支撐點，對崎嶇地形的適應(yīng)性強。當然，多足步行機器人也存在一些不足之處。比如，多足步行機器人為使腿部能協(xié)調(diào)穩(wěn)定的運動，其從機械結(jié)構(gòu)設(shè)計到控制系統(tǒng)算法都比較復雜。

1　機構(gòu)設(shè)計

1.1整體結(jié)構(gòu)確定

八足蜘蛛機器人模仿蜘蛛爬行機理，在整體結(jié)構(gòu)設(shè)計時采取8足結(jié)構(gòu)，腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計采取類似蜘蛛腿部生理結(jié)構(gòu)的運動機構(gòu)，主要模擬的是第二至第六對附肢共8只步足，每只步足由基節(jié)、腿節(jié)、脛節(jié)、足節(jié)構(gòu)成，實現(xiàn)了蜘蛛結(jié)構(gòu)的仿生，仿生蜘蛛機器人的名稱也由此得來。考慮到機器人的整體的平穩(wěn)性，機體部分設(shè)計沒有采用實際蜘蛛類似橢圓的身體結(jié)構(gòu)，而采取了矩形結(jié)構(gòu)。

1.2電機的選擇

電機的種類有多，有普通直流電機，減速電機、步進電機、舵機和伺服電機。普通電機有轉(zhuǎn)速過快，扭力過小的特點，一般不直接用在智能小車和機器人上；步進電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，不適合多變得路況；伺服電機能夠很精確的控制電機的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)精確的定位，最高精度可以達0.001mm。通過比較各種電機的性能和用途，最終決定選用伺服電機作為蜘蛛機器人的驅(qū)動電機。

1.3具體結(jié)構(gòu)的設(shè)計

（1）機體。機體整體采用矩形對稱結(jié)構(gòu)，為了使足部的運動有足夠的工作空間，邊緣采用局部鏤空設(shè)計，為了使整體更加美觀并且減輕整體重量，在機體上對稱位置打孔并在中間區(qū)域切除多余材料，使其重量中心盡量集中在圖形的幾何中心上，采用U形連接件與螺栓實現(xiàn)機體與足部的連接。

（2）基節(jié)。基節(jié)由基節(jié)底板、電機支撐套、磁鋼固定塊、軸承、軸承支架、軸承、傳動軸、基節(jié)連接見、基節(jié)傳動件、隔離環(huán)、螺栓、螺母、螺釘、平鍵、基節(jié)連接鍵等21個零件組成，尺寸關(guān)系是根據(jù)各個零件的配合確定的，其中隔離環(huán)、螺栓、螺母、螺釘、平鍵均為標準件。它一端固定在車體上，一端通過齒輪和腿節(jié)產(chǎn)生嚙合。電機轉(zhuǎn)動時，由于轉(zhuǎn)子輸出軸與傳動軸連接，傳動軸不動及電機轉(zhuǎn)子不動，這時在電機產(chǎn)生的力矩作用下電機定子帶動基節(jié)外殼通過軸承外圈產(chǎn)生相對于傳動軸的轉(zhuǎn)動，及實現(xiàn)了整個基節(jié)外殼旋轉(zhuǎn)運動。基節(jié)底板與腿節(jié)傳動軸固定連接，基節(jié)的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成了腿節(jié)的左右擺動（電機正轉(zhuǎn)向前擺動，電機反轉(zhuǎn)向后擺動），從而完成蜘蛛機器人向前伸腿和向后蹬腿的動作。

（3）腿節(jié)。腿節(jié)由從動齒輪、主動齒輪、腿節(jié)底板，軸承、齒輪座等共有18個零件組成，其中尺寸關(guān)系是根據(jù)各個零件的配合關(guān)系確定。腿節(jié)電機轉(zhuǎn)動時，帶動主動齒輪轉(zhuǎn)動，在基節(jié)電機不動的情況下及從動齒

輪不動的情況下，主動齒輪（通過軸承的旋轉(zhuǎn)）會繞著從動齒輪轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)整個腿節(jié)的上下擺動，進而實現(xiàn)了腿節(jié)的抬起和放下。

（4）脛節(jié)。脛節(jié)由脛節(jié)底板、電機固定端、主動齒輪、從動齒輪、主動軸、從動軸、齒輪座以及不同的連接器組成，其脛節(jié)和腿節(jié)的連接相同，其傳動方式基本與腿節(jié)相同，也是通過齒輪嚙合實現(xiàn)其傳動。具體來講，電機轉(zhuǎn)動時，帶動主動齒輪轉(zhuǎn)動，在腿節(jié)電機不動的情況下及從動齒輪不動的情況下，主動齒輪（通過軸承的旋轉(zhuǎn)）會繞著從動齒輪轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)整個脛節(jié)的上下擺動，進而實現(xiàn)了脛節(jié)的抬起和放下。

（5）足節(jié)。足節(jié)由足節(jié)底板、足節(jié)支架、彈簧、緩沖環(huán)、吸盤共同組成，彈簧和緩沖壞構(gòu)成撓性連接體。撓性連接是相對剛性連接而言的，“剛性連接”中，相對的連接件之間不得有位移，在大多數(shù)的緊固中都是這樣的連接。“撓性連接”中，相對的連接件既有約束或傳遞動力的關(guān)系，又可以有一定程度的相對位移，也具有緩沖減震性能，抗沖擊。

2　運動機理分析

蜘蛛機器人有八條腿，一個蜘蛛腿整體由三個電機控制，機器人整體由3×8=24個電機協(xié)同控制。八條腿在電機控制下，按照雙四組步態(tài)協(xié)作運動，即可實現(xiàn)機器人的整體前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)運動，由于在行走時總有4條腿撐著地面，這樣的話，它可以在不同的路面特別是崎嶇不平的路面保持自己良好地平衡，充分體現(xiàn)了蜘蛛爬行的優(yōu)勢。

3　控制設(shè)計

控制系統(tǒng)選用ATmega16單片機作為主控制芯片，電源模塊為單片機提供5V直流電源，把控制程序下載到ATmega16控制芯片中，接通電源，控制芯片為繼電器提供方波信號，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，進而實現(xiàn)蜘蛛機器人的前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等動作。

4　結(jié)語

文章從機械機構(gòu)設(shè)計、運動機理、控制設(shè)計等三個方面完整闡述了八足蜘蛛機器人的設(shè)計與實現(xiàn)過程。最終設(shè)計實現(xiàn)的八足蜘蛛機器人可模仿現(xiàn)實當中蜘蛛的爬行方式，在平地進行爬行運動，實現(xiàn)前進、后退、轉(zhuǎn)彎等動作，為進一步研究多足仿生機器人提供了參考。

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［3］刁彥飛，王艷飛.生蜘蛛爬行機構(gòu)設(shè)計探索［J］.應(yīng)用科，2004，（3）.

［4］宗光華，張慧慧.機器人設(shè)計與控制［M］.北京：科學出版社，2004.

Design and realization of eight-feet spider robot

JIANG Xin-zhe
（Henan Vocational College of Applied Technology，Zhengzhou，Henan 450042，China）

In nature，because of its unique crawling mechanism，the spider can even crawl on vertical walls.The paper expounds the eight legged spider robot which uses the principle of bionics，the ultimate spider robot can imitate crawling of real spider，realizing motions of forward，backward，turning，and other movements，which provides reference for further research on multi-legged walking robot.

spider；crawling mechanism；bionics；robot

TP242

A

2095-980X（2016）04-0053-01

2016-03-26

蔣欣哲（1989-），男，河南鄭州人，大學本科，助理實驗師，主要研究方向：機電一體化應(yīng)用技術(shù)。