結構仿生在機器人設計領域的應用

譚梓煒

（深圳市創客工場科技有限公司）

結構仿生在機器人設計領域的應用

譚梓煒

（深圳市創客工場科技有限公司）

Makeblock是一個包含金屬零件、電子模塊、軟件工具的開源工程積木平臺。基于Makeblock平臺，你可以快速搭建高性能仿生爬行機器人。本文主要介紹了Makeblock和分析了爬行機器人的機械結構和工作原理。

Makeblock；爬行機器人；結構和原理

1 Makeblock簡介

Makeblock最初的理念就是打造金屬版的“樂高積木”，提供一個無需專業知識也可以快速搭建專業機器人的平臺。Makeblock是機器人DIY和創意實現的平臺，它給使用者提供了一套完善的機械、電子、軟件的解決方案。機械部分，機械零件主要采用的是鋁合金，這些零件包含結構件、傳動件和連接件。用這些機械零件能夠組裝出各種類型的機器人和機械結構。這些機械零件主要使用高強度的鋁合金，外觀設計具有機械美感。

電子模塊，基于應用范圍非常廣泛的開源硬件Arduino，設計開發的各種類型的傳感器、控制器及電機驅動單元，采用RJ25接口和色標體系，便于用戶將控制器和傳感器連接起來。

軟件部分，適用于平板電腦、手機和PC客戶端的App和軟件便于和硬件實現交互。通過它可以實現與Arduino平臺的執行器和傳感器進行數據交換，實現操控機器人和機械臂的運動，實現操控機器人倒水、酒這類液體，彈射小球，相撲機器人進行相撲比賽的功能。

2 四足仿生爬行機器人的機械結構和原理

2.1 機器人腿部結構設計

設計仿生爬行機器人的過程中，其中一個關鍵結構就是腿部。設計爬行機器人的要求是整個機構的重心要盡量低，為了確保這種機器人在爬行的時候，穩定性能比較好，減少消耗能量，在垂直方位腿部活動空間要大，這樣才能更好的適應地形[1]。一般情況下，腿部結構應該最少具有3個自由度。四足機器人一般情況下有4條腿，也就是一共有12個自由度。通過仔細觀察狗等動物的骨骼結構來設計機器人的機械機構，所以，仿生性能體現在機械機構上。

爬行機器人的腿部分支都有3個自由度，且4條腿部結構非常對稱，整個機構的重心正好位于幾何中心，腿部機構非閉式鏈，相當緊湊，此種結構較為緊湊，當爬行機器人有四條腿或者三條腿和地面接觸到了，整個機器人就構成了并聯機構，足關節和地面是球面副。基于空間自由度計算準則，假如空間有n個物體，隨意選一個為參考物，由于任何東西都有6個自由度：沿直角坐標系三個方向的移動，繞軸轉動。n個物體相對于參考物有6（n-1）個自由度，如果把這些物體通過運動副相互連接，且設第i個運動副有u個約束，這些物體一共有g個運動副，自由度為把全部約束減掉，自由度公式：

在爬行機器人兩個、三個、四個足部接觸地面的時候，機構的自由度都是6，能夠全方面的運動。

在設計機器人腿部結構的時候，不能太復雜，如果腿部桿件過多和結構比較冗雜，這樣很難實現傳遞動力。機器人在運動的時候，腿部結構是交替進行運動的，則要求在一定負載的情形下，腿部結構能滿足整個機構的重量和一定程度的承載能力。在設計四足機器人的腿部機構的時候，不能光仿照爬行動物的腿部骨骼，其中的原因是單純的仿照，很難在承載力和剛性這兩個方面滿足需求。通過上述敘述可知，設計爬行機器人腿部結構的時候要注意以下幾方面：

（1）具有較大的活動空間，其中包含垂直方向和水平方向上的運動；

（2）能夠承受一定的負載和剛度，確保在運動過程中比較穩定；

（3）結構不能太復雜，這樣有助于控制運動、傳遞動力、制造容易。

2.2 機器人機身結構設計

四足機器人必須能在水平方面移動，所以在這個方向上的自由度應該滿足需求，假如光把自由度為2的腿部結構與軀體相互連接，當隨便三個足部結構與地面相接觸的時候，因為整個結構具有一個自由度，機器人就難以進行運動；如果呈對角方式的兩條腿與地面相接觸的時候，機構自由度還是1，這樣的話，爬行機器人活動范圍就是一條線，大大降低了靈活度，這樣只能爬行，但嚴重限制了其活動范圍。這樣水平方面的自由的不夠，難以讓機器人活動。

在壁虎攀爬的時候，通常情況需左右擺動身體進而實現爬行運動，根據仿生這方面的理論知識，把壁虎左右擺動這個動作設計為機器人腰部結構，這個在水平方向實現扭動的自由度增加到四足機器人的步態當中，在一定程度上，增大了整個機構的靈活程度，活動范圍大大增大了。

2.3 關節驅動器

因為設計爬行機器人的時候，在空間和尺寸方面的要求比較多，所以選一款在成本、重量和尺寸等等角度上都滿足需求的關節驅動器。電機是一種具有代表性的驅動器，電機具有各種各樣的類型，比較普遍的電機有直流伺服電機和步進電機，輸出力矩不是很大，電機的尺寸還比較大，機器人關節要求驅動器的體積不能太大，因此這種類型的電機會加大機器人整體體積和重量，損耗較多的能量，增加了爬行的難度。經過上述考慮，機器人關機驅動器選用舵機。舵機是一款體積較小位置角度伺服電機，里邊安裝了能夠將位置信息反饋回來的系統，結構簡單且比較小，重量不是很重，裝起來也比較簡單容易，并可以輸出較大的力矩，舵機的構成成分主要有位置檢測器、外殼、無核心馬達、電路板、齒輪。舵機的工作機理為通過接收機發射信號，傳給舵機，通過電路板的IC電路來辨別向哪個方向轉動，接下來讓無核心馬達運作起來，通過減速器把輸出力矩傳送給輸出臂，與此同時，位置檢測器把信息傳送到IC電路，來辨別輸出臂有沒有到已事先規定好的位置和角度。可變電阻是位置檢測器的主要成分，如果舵機轉起來的時候，電阻值會隨著電機轉動而變化，通過測試電阻的大小就可以算出轉過了多大的角度。電動機與減速器相連接，帶動線性可變電阻來測試處于什么位置，控制電路把反饋電壓和輸入脈沖信號相比較，如果有偏差出現就會使直流電機運作起來，且基于偏差是正還是負來判斷向正方向還是逆向轉，這樣可以讓輸出臂的的期望值和輸出的位姿對應上，這樣當電機具有一定轉速的時候，通過減速器帶動位置檢測器轉動，一直等到電壓差為0的時候，電機就不再轉了。把這個裝在爬行機器人腿部關節和其他，能夠更好的使機器人關節活動起來，與此同時，體積和重量也不會太大。

[1]宋揚.平面移動關節四足機器人結構設計與步行方法研究[D].哈爾濱工程大學，2010.

TP242

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1004-7344（2016）21-0276-01

2016-7-11