多功能六足輪腿式機器人設計

李沛軒

摘 要：本文通過模擬足形昆蟲腿結構，并且結合輪式機器人的特點，設計了一種多功能輪腿式六足機器人。該機器人具有足式行走和輪式行走兩種方式，提高了機器人的運動效率；機器人兩個足可以轉換為操作臂，并設計了操作臂末端夾持器，實現對物體的夾取。對機器人電子控制系統進行了設計，并通過增添多種外圍設備豐富機器人的功能。

關鍵詞：機器人；輪腿式；電子控制

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A

0.引言

機器人是給人提供方便或拓展人活動范圍的工具：提供方便，諸如掃地機器人；拓展人的活動范圍，諸如科考類機器人。在自然和人類社會中，存在一些人類無法到達的地方及不適合人類達到的場合，如災難發生的礦井、防災救援和反恐等。

與雙足和四足機器人相比，六足和八足機器人具有獨特的非連續支撐行走方式，即在某條腿失穩情況下機器人仍具有良好的運動穩定性，同時具有不同的步態以應對不同的地形環境；與八足機器人相比，六足具有相對簡單的機械結構，同時也使得控制算法生成較方便可以預見，這些優點將使六足機器人成為在復雜環境下機器人作業的最佳選擇。同時，采用六足在需要時可將其中的兩足轉化成操作臂，進行手臂操作。因此，對六足機器人的研究具有深遠的理論價值和工程應用意義。

因此課題進行研究的是一款陸地移動機器人——多功能六足輪腿式機器人。所述多功能六足輪腿式機器人，輪腿融合并且腿臂可轉換，將在救援行動和探測活動中得到廣泛應用；如果在機器人上搭載更多的模塊，其將具有更多的功能并可以被應用在更多的領域中。

1.機器人機械本體設計

1.1 六足輪腿設計

根據對昆蟲生理結構的分析，根據仿生學的知識設計了如圖1中左圖所示六足機器人。該機器人由6條腿和機器人本體構成，6條腿分別分布在機器人本體兩側，每側三條腿。現在以編號為②的腿進行腿部結構的詳細介紹。腿部由連桿CE、CB、AB組成，在C、B、A處分別通過轉動副連接，腿在A處通過轉動副與主體相連。在這一腿部機構中CE最長、CB長度中等、BA長度最短，以此模擬六足類昆蟲腿部的真實情況，便于模擬昆蟲實際運動方式。

對機器人腿的自由度進行分析，以腿②為例，該腿部機構中，活動構件數為3，運動副中低副的個數為3，高副的個數為0，因此該機構的自度為：

F=3n-2Pl-Ph=3×3-2×3-1×0=3

因此該腿部機構的自由度為3，要使連桿AB、BC、CE獲得確定的運動，需要增添3個驅動。因此在A、B、C三個轉動副處添加電機作為驅動，即通過控制3個電動機即可使整個機構如昆蟲的足一樣前后移動，同理剩余的5條腿也是如此運動。至此，基于模擬昆蟲運動，完成了六足機器人機械本體的設計。

由于機器人執行任務的需求，需要在到達指定位置時進行一些抓取操作。但為了進行抓取操作再增添操作臂則顯得太過于復雜，因此將機器人腿與操作臂進行結合設計，機器人前部的腿①與腿⑥可以轉換成機械臂，后部的4條腿用于支撐，將前部的腿轉換成操作臂進行抓取操作。

設計的機器人通過機械腿和輪式結構進行移動，前部的兩條腿可以轉換成機械臂進行夾持操作。在平緩的公路上機器人可以通過輪式結構移動，在崎嶇的路面上可以通過機械足進行移動，這樣的設計大大提高了移動效率。

1.2 操作臂設計

如2.1所述，腿①與腿⑥可以從腿部結構轉換為操作臂，在腿部結構的末端F處可以增添夾持手。設計該夾持機構時以結構簡單、能進行簡單操作為原則，在設計時模擬螃蟹的夾持手。

根據仿生學知識設計如圖2所示的夾持手，該夾持手由上下兩部分對稱的夾持指組成，下面以上部夾持指為例進行詳細的說明。該夾持手由連桿OJ、JL、NK組成在O、J、K、N處分別通過轉動副連接，O、N處轉動副與夾持手基座相連。下部夾持指的結構與上部夾持手完全一樣。上下兩個夾持指通過兩個齒輪連接，兩個齒輪分別與連桿OJ、PH固連，即齒輪轉動時兩個連桿也隨之一起運動。

對該夾持機構的自由度進行分析，以便確定原動件數目，以及需要多少電機驅動。該機構中，活動構件數為6，運動副中低副的個數為8，高副的個數為1，因此該機構的自度為：

F=3n-2Pl-Ph=3×6-2×8-1×1=1

因此該機構的自由度為1，需要一個電機進行驅動。在轉動副O處增添電機，使齒輪轉動，進而帶動連桿OJ轉動；通過嚙合的齒輪使得下部連桿PH也轉動，最終即可實現夾持指末端LM的張開和夾緊，即可實現對物體的抓取操作。夾持手通過灰色框線表示的夾持手基座與機器人足末端相連。當LM接觸，即夾持指并攏時作為機器人足可以行走；當腿①、⑥抬起時，即可進行抓取操作。至此，完成了六足機器人操作臂夾持手的設計。

2.機器人電子控制系統設計

2.1 電子系統整體設計

為了能夠讓機器人有運動的能量，需要在機器人本體上布置電池功能模塊；為了控制各個電機按照指定指令運動，需要布置電機控制器模塊；為了對機器人進行遠程控制、與外部環境進行交互，需要在機器人上增添一些外圍交互設備。

機器人電子系統整體如圖3所示，驅動電機布置在各個驅動關節處，通過線纜與電機控制器相連；其他電子設備均集中安放在機器人本體處。機器人本體分為上中下3層，分別為外圍設備、控制器和電池。

2.2 控制及交互設計

對電機控制、外圍設備等各部分進行詳細地設計說明。

電機控制模塊：電機安裝在各個驅動關節處。機器人運動有自主和遠程控制兩種運動模式，自主運動模式是不需要外界實時給機器人運動指令，機器人可以自行運動；遠程控制是通過遠程控制軟件實時給機器人發送運動指令。同時還可以控制機器人前部的兩個腿變換為操作臂，并通過末端的夾持器實現對物體的夾取。

語音與圖像交互模塊：麥克風與攝像頭安裝在機器人本體最上層，通過麥克風、攝像頭可進行語音和圖像的交流。災害發生需要救援被困人員時，可以讓機器人進入一些人無法進入的狹小空間。

手勢識別及地圖重建模塊：增添現有的一些3D體感攝像機，通過攝像機捕捉并分析得到人手的手勢動作，將捕捉到的手勢與之前程序中預設的進行比對，再讓機器人進行相應的操作。無線模塊：在機器人本體最上層安裝天線，通過此天線實現機器人各種外圍設備、電機控制器與遠程控制軟件之間的通信；遠程控制可以通過電腦控制程序實現。

結論

本文運用仿生學的知識，通過模擬足形昆蟲腿式結構，并且結合輪式機器人的特點，設計了一種多功能輪腿式六足機器人。該機器人可采用足式與和輪式兩種行走方式在兩個足末端安裝有夾持手可進行抓取操作。通過安裝3D體感攝像機等外圍設備，實現與外部的語音圖像交互以及手勢操控、地圖重建等功能。所設計的機器人結構新穎、功能豐富，具有很強的實用價值。

參考文獻

[1]王穎，孫翠磊，于淳，等.移動機器人綜述[J].科學導報， 2014（15）：12-13.

[2]李滿宏，張明路，張建華，等.六足機器人關鍵技術綜述[J].機械設計，2015（10）：1-8.

[3]聶澄輝，劉莉，陳懇.模塊化可重構足式仿生機器人設計[J].機械設計與制造，2009（2）：7-9.

[4]沈世德，徐學忠.機械原理（第2版）[M].機械工業出版社，2009.

[5]李開生，張慧慧，費仁元，等.機器人控制器體系結構研究的現狀和發展[J].機器人，2000，22（3）：235-240.