一種仿生八足機器人的設計與越障仿真

何 悅，周 鵬，楊曉帥，解 鑫

（西南科技大學 制造科學與工程學院，綿陽 621010）

0 引言

機器人技術的發(fā)展是一個國家高科技水平和工業(yè)自動化程度的重要標志和體現(xiàn)[1]。多足機器人作為仿生機器人的典型代表，具有豐富的步態(tài)和冗余的肢體結構，運動靈活，可靠性高。自20世紀80年代起，國外卡內基梅隆大學在1986年研制出具有簡單腿結構的液壓驅動四足機器人[2]，但是結構簡單，也十分笨重。2007年，哈爾濱工業(yè)大學的王倩等設計了一款新型六足機器人。該機器人采用舵機驅動，四連桿傳動提高穩(wěn)定性[3]。2011年，唐晶晶[4]等設計出了六足減災救援仿生機器人的虛擬樣機，將虛擬樣機技術引入到仿生多足機器人的研制中，對仿生多足機器人的研制提供了新思路。經(jīng)過不斷地發(fā)展，仿生多足機器人一方面趨于高負載，高穩(wěn)定性，高環(huán)境適應性方向發(fā)展，另一方面也正朝著微型化，智能化方向不斷推陳出新，正在不斷影響到生活的方方面面。

為了能讓機器人更好適應多樣化的工作環(huán)境和完成更為復雜的任務，本文以蜘蛛為仿生對象，設計了一款結構微型化，可在狹小的環(huán)境空間中進行作業(yè)的多足仿生機器人。

1 仿生八足機器人的結構設計

1.1 機器人的總體結構設計

蜘蛛頭胸部呈十邊形，八條足分居兩側，擁有互不干擾的運動空間，對蜘蛛的行動十分有利。基于此仿生原理，仿生多足機器人的軀體也采用十邊形結構，這種結構對于仿生機器人而言具有三方面優(yōu)勢，一是機器人腿的根關節(jié)與軀體可垂直連接，向外拓展，運動空間增大；二是機器人腿部可對稱分布與軀體兩側，增加了機體的穩(wěn)定性，三是增大了機器人腿部的運動空間可減少機器人的腿部碰撞。

圖1 機器人整體原理圖

根據(jù)自然界中蜘蛛的結構特征以及驅動、傳動方式的考慮，確定了基于仿生學原理的仿生多足機器人由軀體和八條腿兩部分組成，采用正相對稱分布，如圖2所示。軀體通過舵機與腿部的根關節(jié)連接，軀體由兩塊正十邊形板材上下疊放而成，兩板材之間的間隙用于安裝舵機和控制電路，頂部板材上可搭載其他傳感器或負載。

1.2 機器人的腿部結構設計

仿生多足機器人的腿部結構是從蜘蛛的足的結構中簡化、優(yōu)化產(chǎn)生的，由于其髖關節(jié)極短且在實際運動中活動范圍有限故此在仿生過程中將其簡化股節(jié)上，而足在活動中主要起到抓地作用且已經(jīng)失去自由活動能力所以在設計中將其忽略。簡化后的腿部仿生原理圖如圖3所示。

圖2 機器人模型

圖3 腿部仿生原理圖

由于平行四邊形曲柄連桿機構和滑塊連桿機構和絲桿連桿機構，回差小，剛性好，可保持特殊位形[18]。連桿機構對于仿生機器人這種短距離的動力傳動具備很大的優(yōu)勢。因此選用連桿機構作為機器人關節(jié)的傳動方式。機器人腿部如圖4所示，舵機采用交叉裝配，如圖5所示。

圖4 機器人腿部模型

圖5 舵機裝配方式

2 八足機器人的越障分析與仿真

2.1 仿真理論分析

仿生多足機器人的腿按圖6所示分為兩組（L1、R1、L3、R3；L2、R2、L4、R4），兩組交替完成機器人的支撐和提供前進的驅動。

在本部分內容中，結合模型的復雜程度和精度要求主要采用SolidWorks中的motion分析作為基本分析工具。仿真過程流程圖7所示。

圖6 機器人腿部分組

圖7 仿真過程流程

為了使機器人的運動效率足夠高，對于根關節(jié)舵機的轉動幅度應取最大值，對機器人結構進行分析可知，為了使機器人相鄰足互不干擾、產(chǎn)生干涉，每條腿的最大轉動幅度為45°，即根關節(jié)舵機的轉動幅度取±22.5°。

此時仿生多足機器人的驅動如下：

2.2 仿真過程

基于仿生多足機器人的結構特性分析可知，仿真多足機器人通過障礙物的方式主要有繞行、跨越同過、爬行通過三種。針對不同的障礙物采用不同的運動方式，對于障礙物周圍存在平整環(huán)境時，可通過控制機器人的轉向和行進，繞過障礙物；對于不可繞行的障礙物又可分為兩種，第一，障礙物寬度低于仿生多足機器人運行一個周期的前進量，高度低于仿生多足機器人的跨度時，仿生多足機器人可以采用跨越通行的運動方式；第二，障礙物寬度高度低，機器人不發(fā)生傾翻，此時可以采用爬行通過直接通過障礙物。繞行方式結果與平整地面行走類似，此處不再累述。

2.2.1 跨越通行方式越障仿真

仿生多足機器人的越障能力主要體現(xiàn)在兩個方面：

1）仿生多足機器人能越過機器人的最大高度；

2）仿生多足機器人能越過障礙的最大寬度。

為了解決這兩個問題，首先對直線行走中膝關節(jié)轉動幅度為±45°的情況進行分析，列出R1腿足尖到坐標原點的線性位移如圖8所示；根據(jù)圖8可知，仿生多足機器人運行一個周期，R1腿的z分量運動范圍是5mm～-79mm，由于坐標系原點與軀體底部重合，故為了防止仿生多足機器人軀體底部與障礙物接觸，障礙物的最大高度不得超過79mm，由圖8可知足從0～79mm的過程中，足尖的x分量變化量約為60mm，取一定誤差空間，取能跨越的障礙物寬度為50mm。

圖8 R1腿足尖到坐標原點的線性位移

下面通過仿真來驗證仿生多足機器人能否通過79mm高，50mm寬的長方體障礙。具體過程如下：

打開膝關節(jié)轉動幅度為±45°根關節(jié)舵機轉動幅度為±22.5°的裝配體文件，編輯零部件“地面”，切換零部件配置為“最高障礙”，返回裝配體；

各關節(jié)舵機驅動如下：

L1、L3、R2、R4腿根關節(jié)舵機驅動為式(1)；

L2、L4、R1、R3腿根關節(jié)舵機驅動為式(2)；

L1、L3、R1、R3腿膝關節(jié)舵機驅動為式(3)；

L2、L4、R2、R4腿膝關節(jié)舵機驅動為式(4)。

仿真結算完成后結果如圖9所示。

圖9 機器人質量中心位移圖（越障）

2.2.2 爬行通過方式避障仿真

圖10 越障過程

圖11 障礙物為40.5mm的運動過程

仿生多足機器人要能夠通過爬行通過方式通過障礙物，必須要滿足任意時刻都要有支撐相、仿生多足機器人不發(fā)生傾翻兩點，初步估計能保證這兩個要求的狀態(tài)中障礙物高度在50mm以下。本節(jié)通過更改障礙物的高度通過仿真過程尋找滿足此種運動方式的障礙物最大高度。具體過程如下：

1）打開用于仿真的膝關節(jié)轉動幅度為±45°根關節(jié)舵機轉動幅度為±22.5°的裝配體文件；

2）編輯零部件“地面”，切換零部件配置為“爬行測試”并編輯障礙物高度為50mm，返回裝配體；

3）切換回運動算例界面，運行仿真；

4）分析仿真結果，若仿生多足機器人無法滿足要求，則將障礙物高度減少10mm，繼續(xù)執(zhí)行仿真，直到達到要求為止。

通過仿真后得出結果為障礙物的最大高度為40.5mm，仿真運動過程圖如圖11所示。

3 結論

提出了一種新型的仿生八足越障機器人，利用舵機作為原動力，通過連桿式關節(jié)連接，結構簡單易于控制，中間軀體可以搭載不同設備，應用性強。文中主要對機器人的結構以及越障能力進行了闡述與分析，分析得出理論上機器人能攀爬最大高度為40.5mm的障礙，為多足機器人的結構設計提供了重要的參考價值。