基于ROBOTAC的仿生機器人設計及性能改進

文/梁璐 潘麗 占蔚

1 研究初衷

ROBOTAC是ROBOT(機 器人)+TACTIC(策 略、 戰 略)的 縮 寫。ROBOTAC是共青團中央和全國學聯主辦的"全國大學生機器人大賽"的賽事項目之一。全國大學生機器人大賽自2002年首次舉辦以來，目前已發展成為國內技術綜合性最強、影響力最大的大學生機器人賽事，ROBOTAC賽事將科技與娛樂相融合，成為激發青年大學生科技興趣愛好，展現大學生創新實踐能力和風采的重要平臺。

比賽使用機器人來代替了游戲中的虛擬人物，其中的機器人，包括幾個限定重量和尺寸的幾個小車或仿生機器人，通過學生設計制造的機構實現“技能”。通過各種“技能”去攻擊對方的機器人“血槽”，從而實現擊殺。以攻占對方堡壘或“消滅”對方機器人的得分多的一方取勝。通過了解學習和分析動物的行走原理進而設計出具有仿真效果的機械裝置，即仿生機器人，而ROBOTAC賽事的仿生機器人不帶血槽，因此除非損壞，生命不會終止。由于比賽規則的側重，在賽事中仿生機器人的研究具有戰略性的意義，因此設計出符合規則，能夠參賽，運行良好，控制方便的仿生機器人對參加ROBOTAC賽事尤為重要。

2 研究思路

對于仿生機器人來說身上最重要的部位，就是它們的“仿生腿”（行走機構）。在對動物的行走姿態觀察與電腦測算之后，決定其腿部利用各種輕便材料，可以以最高效的姿態模仿動物的腿部進行行走。設計通過采集動物在行走時的一些數據，然后將它們抽象成幾何原理圖，按一定的尺寸將其連接起來從而實現模仿動物行走的目的。此仿生機器人利用了塑料薄膜、PVC 細管、木頭、膠條等輕便的材料，通過框架結構組合到一起。原理圖如圖1所示。

圖1：組裝結構圖

圖2：行走單元圖

圖3：各部分之間的連接關系

圖4：行走機構配件

圖5：組裝實物圖

當在一個曲軸上，把至少6個這樣的“仿生腿”，依照前后順序組合起來，就形成了一個行走單元。如圖2所示。而這樣的“仿生腿”，也被證實在沙灘或松軟地面上的行走速度超越了常規輪式機器人，它們無需像輪胎那樣直接接觸每一寸的土地，減少了阻力。同時由于骨架很輕，仿生機器人又不會陷入砂中，并且很容易被小型馬達所驅動。在該設計中用一個接受器安裝車體上，用以接受發射機控制信號。利用4個小馬達及減速箱作為驅動裝置，利用鋰電池為仿生機器人提供行走動力。各部分之間的連接關系如圖3所示。

3 仿生機器人組裝

仿生機構組裝過程具體如下：首先將所有配件分類整理在一起，其中主要包含機械手臂12組、機械腳臂12組、大小三腳架12組、曲軸2組和支撐架8組。實物圖如圖4所示。

首先將支架及曲軸連接，將12組機械手臂和十二組機械腳臂全部連接完成，然后與曲軸進行嵌套；然后機械腿與曲軸的連接，將已完成的手臂和機械腳與完成組裝的曲軸結合起來，構成仿生機器人的行走機構。

最后將行走腿與傳動裝置的連接，在兩個行走腿之間搭建支撐板，將直流減速小馬達安裝固定在支撐板之上，然后在仿生機器人兩側的行走腿上加裝齒輪，使得馬達的軸與齒輪相連接，通電后通過馬達的轉動帶動齒輪做順時針或逆時針運動，實現仿生機器人的前進或后退。組裝實物圖如圖5所示。

4 調試測試及性能改進

4.1 遙控器與接收機的信號傳輸距離

在控制仿生機器人運動的過程中發現遙控器的傳輸距離十分有限，僅為100cm左右，尤其在將天線釋放到最大距離后遙控距離還是沒有太大明顯得改善。經過不斷的測試與研究，發現遙控距離的遠近與遙控器發射的信號頻率有很大關系，而頻率又直接受控于中周，所以在對中周進行合理的調節后使得遙控距離增加到600cm左右，從而解決了遙控距離不足的問題。

4.2 行走腿速率與馬達轉速調節

在仿生機器人運動過程中發現機械腿運動的周期明顯慢于馬達轉動的周期，從而導致馬達空轉或機械腿未運動完一個周期就被強行拉回的現象。在反復試驗后發現問題出現在齒輪的大小上，當齒輪直徑>=4cm時就會出現機械腿不能走完一個周期；當齒輪直徑等于2cm時，發現齒輪和馬達轉動的軸距剛好能夠吻合，從而機械腿正好能夠完成一個機械周期的運動，解決了腿的運動和馬達傳動不協調的問題。

4.3 電池的使用及充電

11.1V的鋰電池由3片鋰電芯串聯而成(3S1P)，即每片電芯的電壓為3.7V。

鋰電池必須保持在2.75～4.2V這個電壓范圍內使用。如電池電壓低于2.75V則屬于過度放電，鋰電會膨脹，內部的化學液體會結晶。

遙控航模鋰電池電壓高于4.2V屬于過度充電，內部化學反應過于激烈，鋰電會鼓氣膨脹，若繼續充電會膨脹、燃燒。無論是過放還是過充均會對遙控航模鋰電池產生很大的傷害。

過放電會導致電池損壞，放電時不得使單體電池的電壓低于3.6V。

通過努力，終于完成了對機器人的改進，實現新一代的仿生機器人，質量更輕、行走速度更快、方向轉變更加靈活，并且符合ROBOTAC賽事要求，良好運行，方便控制，實現了設計初衷。