高冗余度仿生機器人的運動學研究

趙淑萍 劉桐青

(山東協(xié)和學院，山東 濟南 250107)

1 設(shè)計優(yōu)勢

(1)模塊化設(shè)計，可以根據(jù)任務(wù)靈活組裝模塊。

(2)采用設(shè)計的新型關(guān)節(jié)和仿蛇鱗摩擦外殼地形適應(yīng)性強，運動靈活，單關(guān)節(jié)自由度高。

(3)通過特定的救援給養(yǎng)輸送裝置可以為受困人員提供生命給養(yǎng)，維持生命體征，延長救援時效。

(4)通過運動控制算法，深入廢墟內(nèi)部，進入狹小空間的搜救；利用復(fù)合視覺系統(tǒng)進行微光、超視距搜索，保護受困人員實例。

(5)質(zhì)量輕便，單個模塊僅重650g。

2 研究的過程及實施

2.1 機械設(shè)計部分

救援裝置要求行動靈活，關(guān)節(jié)自由度高，對關(guān)節(jié)部分提出設(shè)計靈活的要求。

(1)連接結(jié)構(gòu)設(shè)計。

對已有技術(shù)分析，萬向節(jié)結(jié)構(gòu)具有運動靈活；正交結(jié)構(gòu)具有承載能力強的特點。假設(shè)取其二者優(yōu)點結(jié)合，設(shè)計出一款利用正交結(jié)構(gòu)逼近萬向節(jié)的連接方式。

利用SolidWorks進行建模分析，建模圖見圖1，設(shè)計原理是將相連正交結(jié)構(gòu)兩軸逼近為0，理論設(shè)計中該結(jié)構(gòu)可以與萬向節(jié)功能相同，但轉(zhuǎn)配分析其三維具有一定角度限制，為一個錐面空間，見圖2。

通過運動仿真，理論設(shè)計和仿真結(jié)果一致。

(2)仿生摩擦外殼設(shè)計。

對蛇類生物研究中，其蛇鱗的摩擦系數(shù)成各向異性，向前的摩擦系數(shù)小于向后的摩擦系數(shù)，依照此結(jié)構(gòu)設(shè)計出特殊的紋路，改變摩擦系數(shù)的各向異性。通過計算紋路與軸線夾角40～45°為最佳，設(shè)計見圖3。

2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

(1)運送給養(yǎng)結(jié)構(gòu)。

通過組織答辯和調(diào)查當?shù)叵廊藛T，總結(jié)調(diào)查結(jié)果提出設(shè)計給養(yǎng)運送機構(gòu)。

圍繞這個問題我們對救援裝置的支架進行優(yōu)化，在其中間預(yù)留出夾持固體食物和儲存水的容器，結(jié)構(gòu)置于機體內(nèi)如圖4。

空腔內(nèi)可以放置小型水袋或壓縮餅干等，在開口部分通過卡口裝置打開，方便受困人員打開獲取資源。單個部分可以最大運載250g的給養(yǎng)。

連接部分一體設(shè)計，安裝活動端蓋將給養(yǎng)用長條形塑封袋塑封條折疊放入，受困人員打開端蓋抽出即可。

(2)其它內(nèi)部支撐設(shè)計。

電子元件需要相應(yīng)的安裝方式，結(jié)合腔體設(shè)計出安裝支架。

內(nèi)部支撐受外界因素小，因此采用ABS工程塑料為設(shè)計材料，設(shè)計結(jié)構(gòu)見圖5。

2.3 模塊化設(shè)計

進一步對設(shè)計方案優(yōu)化，原有設(shè)計未考慮功能化設(shè)計，設(shè)計功能單一，對此進行接口的設(shè)計。

將連接部分進行拆裝接口設(shè)計，見圖6。將給養(yǎng)運送結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計，設(shè)計為可拆卸封閉式結(jié)構(gòu)，見圖7。

模塊化設(shè)計后，可以根據(jù)任務(wù)需求進行相應(yīng)的模塊調(diào)整。

2.4 蠕動運動算法優(yōu)化與調(diào)試

對算法設(shè)計實際仿真及調(diào)試，設(shè)定各標準參數(shù)值，發(fā)現(xiàn)關(guān)節(jié)與關(guān)節(jié)參數(shù)銜接有一定的卡頓，對算法和控制進行優(yōu)化。

(1)蠕動運動算法設(shè)計。

救援裝置的蠕動與蜿蜒是具有一定區(qū)別的，其在蠕動過程中是通過伸縮來完成向前的爬動，通過研究了解到蛇類生物向后摩擦力大于向前的摩擦力。因此，救援裝置只能向前爬行。各個關(guān)節(jié)所采用PWM波為兩路，即需要采用兩個定時器才劃分在相同時間段內(nèi)的溢出中斷執(zhí)行。其參數(shù)的設(shè)置和蜿蜒運動相似，只不過將水平方向的主要參數(shù)賦值給豎直方向上的運動。

(2)蠕動算法優(yōu)化與調(diào)試。

在進行算法仿真的過程中，對如何使救援裝置的蠕動運動過程中某一節(jié)點突起使其保持平衡提出疑問。

在蠕動運動中，我們采用兩個定時器分別計時，分別為定時器3與定時器5，觸發(fā)中斷產(chǎn)生其相對應(yīng)關(guān)節(jié)的PWM波，來控制舵機旋轉(zhuǎn)。在某一關(guān)節(jié)拱起時，將本關(guān)節(jié)的前后關(guān)節(jié)分別向其中心運動，當關(guān)節(jié)拱起時，我們會發(fā)現(xiàn)其拱起關(guān)節(jié)由于救援裝置的單關(guān)節(jié)與整體關(guān)節(jié)相比，質(zhì)量較輕，且其它關(guān)節(jié)整體與地面的摩擦較大，使其保持穩(wěn)定，從這可以看出我們利用了部分關(guān)節(jié)逐節(jié)抬起，而不是多節(jié)關(guān)節(jié)抬起。

3 研究成果與價值

通過本次項目研究，設(shè)計出一種新型關(guān)節(jié)連接方式，采用這種連接方式可以有效降低直徑和單關(guān)節(jié)長度比值，接近理想比值0.67；研究設(shè)計一種新型的仿生外殼設(shè)計，優(yōu)于被動輪式外殼設(shè)計，可以更好地適應(yīng)各類地形環(huán)境；可攜帶救援給養(yǎng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計，給出一種實際應(yīng)用的方案；對運動算法的優(yōu)化設(shè)計，設(shè)計出可以靈活運動的算法程序；依靠物聯(lián)網(wǎng)的救援技術(shù)支持系統(tǒng)的設(shè)計，使救援技術(shù)不受地域限制。

在進一步改進后，可以根據(jù)不同的任務(wù)要求將相應(yīng)的傳感器模塊換裝，設(shè)計出適合管道檢測、礦道毒氣檢測、軍事等領(lǐng)域應(yīng)用的產(chǎn)品。