一種新型仿生蜘蛛機器人行走機構(gòu)的設(shè)計研究

梁忠正 陳玉娟 沈家潤 駱 淳 陳宇航

（上海師范大學(xué) 信息與機電工程學(xué)院，上海 201418）

一種新型仿生蜘蛛機器人行走機構(gòu)的設(shè)計研究

梁忠正 陳玉娟 沈家潤 駱 淳 陳宇航

（上海師范大學(xué) 信息與機電工程學(xué)院，上海 201418）

本文運用真空吸附技術(shù)設(shè)計了一種能夠運用6足穩(wěn)定，實現(xiàn)行走、轉(zhuǎn)彎、爬墻、避障的新型仿生蜘蛛機器人。

蜘蛛機器人 真空吸附 行走機構(gòu) 爬墻 避障

引言

仿生蜘蛛機器人是對蜘蛛形狀、運動原理和行為方式等進行模仿，相比履帶式或輪式機器人，仿生蜘蛛機器人存在結(jié)構(gòu)上的不足。履帶式機器人有更大的抓地面積，即使在一些坡度較陡的路面，履帶式機器人也能順利爬行，而蜘蛛機器人由于行走方式的不同，不能像履帶式那樣表現(xiàn)出色。

針對仿生蜘蛛機器人的這種缺點，采用不受地面材料限制的真空吸附法，給出了一種新型機器人的改進設(shè)計方案。該設(shè)計方案在功能結(jié)構(gòu)上既保留了蜘蛛仿生機器人環(huán)境適應(yīng)能力強、運動靈活的特點，又克服了其攀爬陡坡時的缺點，且實驗測試效果良好。

1 新型仿生蜘蛛機器人的總體結(jié)構(gòu)方案

新型仿生蜘蛛機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。機器人本體是一個圓柱形結(jié)構(gòu)，底盤為上下兩層結(jié)構(gòu)，電子硬件安裝在下層底盤，感受器安裝在上層底盤，機器人的核心部件都在兩底板之間，保護效果很好。

圖1 新型仿生蜘蛛機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計簡圖

軀干部分：考慮到機器人軀干部位對靈活度基本沒有要求，無需搭建活動關(guān)節(jié)，且軀干不宜受到關(guān)節(jié)活動干擾，采用加工六邊形鋁合金作為底盤，既減輕了重量，又利于支撐及保護內(nèi)部裝置。控制器采用arduino足，以滿足機器人運算要求。

頭部：在機器人上層底盤上安裝采用激光掃描雷達作為主感受器，用于識別物體與避障，構(gòu)成機器人的頭部。

四肢：機器人的6條腿均勻安裝在兩層底板之間，機器人行走時依靠兩兩間隔的3條腿構(gòu)成穩(wěn)定的三角形支撐地板。每只腿設(shè)計有3個自由度——腰、髖、膝關(guān)節(jié)，實現(xiàn)前、后、左、右、上、下的三維活動空間。腰關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)軸線互相垂直，膝關(guān)節(jié)軸線和髖關(guān)節(jié)軸線互相平行。呈圓周對稱分布的6條腿，分別分布在本體四周呈正六邊形結(jié)構(gòu)，使六腿機器人可以實現(xiàn)更多的前進方向和零半徑轉(zhuǎn)彎。整機共有18個主動關(guān)節(jié)，選取18個舵機充當(dāng)肢體關(guān)節(jié)。在每條腿部觸角部分別安裝三個硬質(zhì)吸盤，將吸盤與真空泵通過氣管聯(lián)通。機器人腿部示意如圖2所示。

圖2 機器人腿部設(shè)計簡圖

2 行走機構(gòu)設(shè)計

相比較在平地上移動，機器人在垂直墻壁上移動需要克服更多的困難。本文以后者為例，分析其行走機構(gòu)設(shè)計方案。在六足觸角處各安裝三只硬質(zhì)吸盤，在中央主體處安置真空泵，運用真空吸附原理使空氣泵控制硬質(zhì)吸盤內(nèi)氣壓，落地時使吸盤內(nèi)氣壓遠小于大氣壓強，使機器人穩(wěn)定在陡坡或垂直墻面上，而抬腿時使吸盤內(nèi)氣壓與大氣壓相同，使腿部自由活動，以此往復(fù)運動達到在陡坡或墻壁上運動的目的。

采用多吸盤結(jié)構(gòu)形式，可以增大吸附力，避免當(dāng)?shù)孛嫱拱疾黄綍r因為單個吸盤漏氣而出現(xiàn)吸附力下降、承載能力降低的情況，提高了吸附結(jié)構(gòu)的可靠性。

由于機器人在運動過程中吸盤與壁面總是不發(fā)生相對移動，所以可以將機器人吸附時的狀態(tài)按靜態(tài)進行分析。每組吸盤均由3個吸盤呈等邊三角形構(gòu)成。由于直接計算比較復(fù)雜，且計算時的精度要求不高，故可化簡為一個吸盤，其面積與三個吸盤大小相等。該等效吸盤的中心位于原3個吸盤構(gòu)成的三角形中心。機器人運動時的平衡狀態(tài)受力如圖3所示。

圖3 機器人平衡狀態(tài)受力圖

其中，U為吸盤與玻璃壁面之間的摩擦系數(shù)，G為機器人自身重力（N），F(xiàn)1、F2、F3分別為吸盤1、2、3的吸附力（N），F(xiàn)1*、F2*、F3*分別為玻璃對吸盤1、2、3的反作用力（N），F(xiàn)f1、Ff2、Ff3分別為吸盤l、2、3和工作面之間的摩擦力（N）。

選取硬質(zhì)橡膠作為吸盤材料，由于工作表面是復(fù)雜地形，工作過程中由于各種情況的作用工作表面會變濕，摩擦系數(shù)降低0.1～0.4。出于安全考慮，假設(shè)降低0.4，摩擦系數(shù)為μ=0.5×（1-0.4）=0.3。

若吸盤內(nèi)相對于外界壓力為P，吸盤1和2的面積均為S，則要使機器人不會因重力下滑，則F1>0，F(xiàn)2>0，F(xiàn)3>0，F(xiàn)f1+Ff1+Ff1>G。

以第一個吸盤與玻璃交界處為原點，列力矩方程為

吸盤要在傾覆力矩的作用下保持不脫落，必須滿足1*0F>。

綜上，得：

將G=180N，L1=100mm，L2=600mm代入上式，得F1≈233N。

從結(jié)構(gòu)可看出，對機器人本體的可靠吸附影響最大的是在重力作用下的下滑力，也就是說每組處于吸附狀態(tài)的吸盤要能產(chǎn)生233N的真空吸附力，才能保證機器人在重力作用下不下滑。每個吸盤組有三個吸盤，這樣每個吸盤上只需要負擔(dān)77.7N的力。

根據(jù)計算選取直徑為40mm的吸盤就可以完全滿足需要。考慮到布局的緊湊性和吸附穩(wěn)定性，吸盤選用等邊三角形布局。

將機器人的六條腿簡化分成紅藍兩組，1、3、5為藍組，2、4、6為紅組，每組的三條腿的連線構(gòu)成一個三角形，機器人在靜止?fàn)顟B(tài)下的腿部擺放如圖4所示。圖5為機器人腿部的初始狀態(tài)。當(dāng)機器人準(zhǔn)備行進時，采用紅藍兩組交替前進的方法。準(zhǔn)備行進時，紅組腿部不動，保持機器人穩(wěn)定，藍組腿部執(zhí)行前進命令，達到如圖6所示的狀態(tài)。而后，藍組腿部不動，保持機器人穩(wěn)定，紅組腿部執(zhí)行前進命令，達到圖7所示狀態(tài)。循環(huán)圖5、圖6、圖7運動狀態(tài)，以此類推達到前進目的。

圖4 機器人六肢展開簡圖

圖5 行走準(zhǔn)備階段

圖6 行走第一階

圖7 行走第二階段

3 感覺機構(gòu)設(shè)計

設(shè)計蜘蛛機器人的感官系統(tǒng)時，機器人采用激光測距實現(xiàn)障礙物繞行，在機器人本體安裝1對激光掃描雷達。

在上層鋁合金圓板邊緣上安裝一個激光掃描雷達，也就是機器人的頭部在垂直方向下層底板上，同樣安裝一個激光掃描雷達。

4 程序設(shè)計

控制系統(tǒng)設(shè)計主要包含避障與爬坡兩部分，上下兩個激光測距儀通過測量差值判斷是否為障礙。如果上下感受器測出的差值小于3厘米，則判斷前方為障礙，則自動選擇測出距離最長處前進。如果上下感受器測出差值大于3厘米，則判斷前方障礙為陡坡，并立即在控制器內(nèi)模擬陡坡，開啟真空泵，運用真空吸附技術(shù)爬坡。過程中，激光測距儀不斷向控制器傳回數(shù)據(jù)，完成避障與爬坡，從而順利到達目的地。

5 實驗效果

實驗表明，樣機機構(gòu)合理，具備一定的攀爬能力和對障礙物的判斷能力。

以下是實驗的具體內(nèi)容。

實驗條件：

（1）自制實驗壁面：按照真實壁面結(jié)構(gòu)組建，壁面傾角0°～90°可調(diào)。

（2）自制復(fù)雜地形沙盤：按照洞穴崎嶇面組建，多障礙且路面不平齊。

實驗設(shè)備：

（1）六足仿生機器人樣機一臺；

（2）筆記本電腦一臺；

（3）控制盒；

（4）電源；

（5）電源線和總線通訊線。

實驗過程：

在垂直墻面條件下，測得機器人運動參數(shù)：90°壁面垂直方向最大移動速度為10cm/s。

在水平自制復(fù)雜地形沙盤條件下，測得機器人運動參數(shù)：通過全長1米的沙盤所需時間7s；障礙物識別率：70%。

6 結(jié)束語

通過對仿生蜘蛛機器人的改進，研究了攜帶真空泵及硬質(zhì)吸盤的新型仿生蜘蛛機器人。該機器人通過實驗達到了在陡坡上行走的目的，克服了仿生蜘蛛機器人無法爬陡坡上的缺點。

設(shè)計的新型仿生蜘蛛機器人實現(xiàn)了攀爬陡坡及垂直墻壁的功能，不僅可以在崎嶇的路上平穩(wěn)前行，也能在陡坡上爬行。所以，新型仿生蜘蛛機器人的設(shè)計與實現(xiàn)，具有較高的研究價值和實際意義。

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Design and Research of a New Kind of Walking Mechanism of Bionic Spider Robot

LIANG Zhongzheng, CHEN Yujuan, SHEN Jiarun, LUO Chun, CHEN Yuhang
(School of information and electrical engineering, Shanghai Normal University, Shanghai 201418)

This article use vacuum absorption technique to design a new type of simulate spider robot which can use 6 feet to make working, turning, climbing and obstacle avoiding come true.

robot, vacuum adsorption, climbing, obstacle avoidance

上海市大學(xué)生創(chuàng)新活動計劃項目（201610270088）。