六足仿生蜘蛛機器人步態軌跡規劃研究

張思晨 莫書維 關榮博 范博

摘? 要：六足放生步行機械人基于動力學原理，采用多自由度設計思想，利用多個連桿組建成智能機器人。由于機器人模型結構比較復雜，導致步態軌跡穩定性難以控制。文章采用獨立操控方式設計了六足結構，通過MATLAB軟件模擬仿真蜘蛛機器人步態軌跡。仿真結果表明，文章設計的機器人結構滿足控制需求。

關鍵詞：六足仿生蜘蛛機器人;控制器;步態軌跡

中圖分類號：TP242? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）08-0025-02

Abstract： Based on the principle of dynamics， the hexapod release walking robot adopts the idea of multi-degree-of-freedom design and uses multiple connecting rods to form an intelligent robot. Because of the complexity of the robot model structure， the gait trajectory stability is difficult to control. In this paper， the hexapod structure is designed by independent control mode， and the gait trajectory of spider robot is simulated by MATLAB software. The simulation results show that the robot structure designed in this paper meets the control requirements.

Keywords： hexapod bionic spider robot; controller; gait trajectory

蜘蛛機器人反應速度較快，移動姿勢較為靈活，可以代替人類完成和很多操作。為了深入探究六足蜘蛛機器人功效，可以采用虛擬樣機，對機器人步行軌跡進行仿真，根據仿真結果做出適當調整，使其滿足機器人操作需求[1]。本文將重點探究蜘蛛機器結構、步態原理，通過構建仿真模型，對機器人進行仿真分析。

1 六足仿生蜘蛛機器結構

1.1 機器人整體設計

為了提高機器人結構強度，本文通過查找文獻資料，對機器人結構進行了研究分析，最終選取菱形作為機器人基本結構[2]。該結構不僅能夠增加機器人腿部活動空間，而且還能夠減少腿部之間的碰撞，避免行走過程中相互干涉。從材料消耗角度來看，菱形機器人還能夠減少材料消耗量，整體重量也比較小，這也是蜘蛛機器人行走靈活主要因素之一。選取鋁制材料為主要材料，利用外圍設備、多種傳感器、供電電池、核心控制器單片機構建機器人整體結構。

1.2 軀干設計

為了保證蜘蛛機器人正常運行，必須保證控制器安置位置在一個不容易活動的位置，避免活動幅度較大，對控制器程序命令下達造成影響。本文對機器活動關節進行研究分析，從中選取軀干部位作為控制器安裝位置。這種安裝方式不僅可以為機器人操控提供便利條件，而且還可以避免控制器受器件活動影響。

考慮到控制器控制操作要求較高，采用傳統的開發方式無法滿足機器人操控需求。因此，本文選取Arduino作為開發環境[3]。首先，對各個傳感進行初始化處理。其次，根據操作需求，對各個傳感器下達控制命令，以傳感器驅動方式控制機器人運行軌跡，通過調整算法，對數據進行處理，從而實現命令操控[4]。

1.3 頭部設計

本文設計的蜘蛛機器人在運行過程中，需要根據采集到的視頻信息，對運行軌跡做出調整。根據此運行操控原理，構建三維坐標系，在機器人的頭部安裝微型攝像頭，并利用微型攝像頭360度采集視頻信息，將采集到的視頻信息轉換為三維坐標信息，在x，y，z軸上生成移動軌跡，從而獲取機器人移動軌跡[5]。另外，考慮到本文設計的蜘蛛機器人還需要具備超聲、測距、溫度等信息采集功能，為此，本文利用相應傳感器采集相應信息，同樣將其安裝在機器人的頭部。通過紅外線識別物體，經過無線傳輸裝置傳輸、接收信號，通過信號分析，獲取機器人行走路線障礙物信息，從而實現實時監測。

1.4 機器人的腿部設計

本文采用對稱分布法設計機器人腿部分布圖，機器人腿部設計綜合運動靈活性和承載力兩項因素，構建了機器人腿部設計方案。該設計方案選取三角形區域作為重心，可以在一定程度上提高機器人行走穩定性，在此基礎上，在設計過程中在各個腿中設計了3個自由度，并在各個腿關節上添加了控制電機，采用獨立控制方式，為膝關節、踝關節、腿關節分別編寫相應控制程序，在實際操控過程當中，各個關節之間相互獨立，可以實現自由行走。以往研究中，增加了腿部機構設計復雜度，雖然豐富了移動功能，但是加大了桿件運行壓力，需要處理大量數據，導致機器人運行速度較慢[6]。針對此問題，本文在設計機器人腿部結構時，滿足基本操作，簡化了腿部機構設計復雜度，使得機器人運行更加靈活。

1.5 整體機械設計

本文采用六足連接設計思想，選取蜘蛛身體驅趕部位作為控制器安裝位置，并在頭部安裝傳感器模塊，通過連接件建立各個肢體連接，經過拼裝連接處理得到仿生蜘蛛機器人。如圖1所示為整體機械設計方案。

2 六足仿生蜘蛛機器人步態原理

在眾多蜘蛛機器人步態設計方案中，比較經典的設計為三角步態設計方案。通過觀察“六足綱”昆蟲爬行原理，將蜘蛛的六足劃分為兩組，采取交替形式方式前行。

蜘蛛的右側中足與左側前、左側后三組構成一組，剩余三組構成另外一組，通過大腿前后劃動，從而實現機器人行走控制。在實際操控過程中，通過髖關節沿著垂直方向或者水平方向完成移動行走。在此過程中，三足在原地保持不動，另外三足擺動腳。考慮到蜘蛛的重心比較低，不需要利用Z軸方向調節，簡化了步行軌跡研究方案。

如果蜘蛛機器人在行走過程中受到不同因素影響，為了保證機器人能夠穩定行走，必須充分考慮步行穩定性。依據三角形穩定原理，如果蜘蛛機器人落腳能夠形成一個穩定的三角形，便可以保證其運行穩定性。對于本文設計的六足蜘蛛機器人來說，每三足落地時，在三角形區域內即可。

3 六足仿生蜘蛛機器人步態軌跡仿真分析

3.1 步態軌跡生成流程

本文利用MATLAB軟件模擬仿真蜘蛛機器人步態軌跡，通過構建基于Solidworks的三維模型，添加驅動副、約束副，分析曲線與各個環節曲線是否相符，從而得到關節控制量，經過多次調試，最終生成端點軌跡。如圖2所示為機器人步態軌跡生成流程。

3.2 仿真模型構建流程

3.3 仿真結果分析

本文以機器人膝關節角度、角加速度、角速度為例，對機器人步態移動進行仿真研究，得到仿真結果。

本文設計的六足蜘蛛機器人關節變化比較平緩，與其相對應的角速度角和速度變化都比較平滑，雖然在轉換時刻存在少許波動，但是沒有出現突變情況，峰值在500度/秒2以下，在可控范圍之內。因此，本文設計的機器人結構方案滿足設計要求。

4 結束語

本文針對六足蜘蛛機器人步態穩定性展開研究分析，根據機器人功能設計需求，提出機器人整體、軀干、頭部、腿部、機械結構設計方案。利用MATLAB軟件模擬仿真蜘蛛機器人步態軌跡，通過觀察模擬仿真結果可知，本文設計機器人步態行走關節較為平緩，滿足設計要求。

參考文獻：

[1]任杰，徐海東，干蘇，等.基于Hopf振蕩器的六足機器人步態CPG模型設計[J].智能系統學報，2016，11（5）：627-634.

[2]牛建業，王洪波，史洪敏，等.變自由度輪足復合機器人軌跡規劃驗證及步態研究[J].農業工程學報，2017，33（23）：38-47.

[3]魏武，袁銀龍，王新梅.基于影響系數原理的六足機器人運動狀態分析[J].系統工程與電子技術，2016，38（2）：375-381.

[4]王云倩，牟玉壯，張劍.基于CPG控制的六足爬壁機器人自主越障研究[J].哈爾濱工程大學學報，2018，39（3）：584-593.

[5]勾文浩，袁立鵬，宮赤坤，等.基于足端軌跡的仿生四足機器人運動學分析與步態規劃[J].現代制造工程，2017（7）：37-41.

[6]艾青林，阮惠祥，陳教料，等.基于多維度空間耦合的六足機器人步態規劃[J].中國機械工程，2017，28（23）：2829-2838.