六足全地形機器人結構設計

張雨航，錢亞偉，魯 航

(長安大學工程機械學院，陜西 西安 710064)

0 引言

對于災害現場、外星探測等特殊環境，人為行動存在危險與困難。移動機器人的出現為上述難題提供了解決方案。六足機器人具有仿生類肢體結構，多變步態及高可靠性，成為仿生類移動機器人的典型代表[1]。六足機器人分離式的結構支撐，使其具備更高效的復雜地形適應性，能夠實現未知環境中的復雜地形的跨越與通過[2]。 本文設計六足機器人各個零件設計，包括腳板、小腿、大腿、機身、關節等，采用三維建模方式建立六足機器人模型，進行ANSYS仿真分析，并構建機器人實物。

1 機體結構設計

機器人仿生學已經涉及結構、材料、功能、控制以及系統仿生等多方面[3]。螞蟻類生物是一種非常理想的仿生學目標，其具有爬行靈活、身體構造易分割、腿部結構簡單、各部位易于測量等特點，其身體構造如圖1所示。根據螞蟻具有三自由度的足，仿生建立六足機器人的腿部結構，將腿部結構分為基節、大腿與小腿。去除身體冗余的結構，使用一個機身固定腿部結構，形成完整的六足機器人機體。

圖1 螞蟻類生物身體構造

1.1 腿部結構設計

六足機器人腿部結構類似連桿，每條腿的關節處都有相對獨立的動力機構(本文設計為舵機)。舵機作用驅動關節活動，基節與機體處的舵機負責機器人肢體的前后移動，用于驅動機器人行走；剩余舵機則是控制機身升降，便于通過障礙物。針對六足機器人的工作方式以及工作特點，設計腿部結構時考慮整機的靈活性、越障性以及穩定性等。分析國內外已經成功的案例，并且通過計算找出腿長比例及足端工作空間的范圍。分析腿部數據，對機器人腿部運動空間進行優化，最終求解出最佳的比例。設計腿部結構如圖2所示。

圖2 腿部機構簡圖

對機器人足端進行運動學求解

各個關節角度的變化范圍為

將各個關節的變量組合帶入運動學方程，記錄一系列足端坐標，形成點云集，圖3為六足機器人足端的運動空間。

圖3 足端工作空間云圖

由于本文的設計為小型六足機器人，取L1+L2+L3=30 cm,分析不同L1、L2、L3占比形成的足端運動空間面積。如圖4所示，基節的比例越小，足端的運動空間越大；大腿比例在0.44～0.45時，運動空間較大。

圖4 足端空間面積

足端運動空間面積越大，機器人行動越靈活；由于基節的比例過小，桿件之間會互相干涉，導致靈活度降低。綜合考慮機器人避障要求，舵機的安裝、維修與便捷連接等情況，最終選定:基節長度約為L1=60 mm;大腿長度約為L2=90 mm;小腿長度約為L3=150 mm。

1.2 六足的布置與搭配

參考自然界六足昆蟲及國內外成功案例，六足機器人的身體部分可以為矩形、六邊形、八邊形、橢圓等[4-7]，六足分布于身體的不同部位。如圖5所示。

圖5 六足機器人身體配置

圖6 六足機器人簡圖

八邊形的身體使腿部有較大的活動范圍，各個動桿運動時對彼此的影響較小，同時八邊形的身體在體積上占據一定優勢，使六足機器人更為靈活小巧而且美觀。由于機身需預留足夠的空間放置電源、芯片等。因此身體選擇厚度為5 cm，中間掏空并配有上蓋的長八邊形。如圖6為八邊形身體的六足機器人簡圖。

2 建模及仿真分析

2.1 模型建立

根據上述設計，使用SolidWorks進行建模，在零件中添加多個減重孔，優化整體重量。圖7為六足機器人及零件模型三維模型圖，圖8為各零件設計圖。

圖7 六足機器人三維模型圖

圖8 零件圖

2.2 仿真及結果分析

將設計好的SolidWorks三維模型圖導入ANSYS軟件，六足機器人材料為PAL(樹脂塑料)材料，得出各模型部件的等效應力云圖以及變形云圖。仿真結果如圖9-圖11所示。

圖9 小腿等效應力云圖和變形云圖

圖10 大腿等效應力云圖和變形云圖

圖11 基節關節等效應力云圖和變形云圖

根據仿真結果分析可知，整體材料最大變形發生在基節關節處，最大變形量約為5.6×10-5m，小于PAL材料最大允許變形量1×10-4m；小腿部分等效應力為15.376 MPa，大腿部分等效應力為12 MPa，基節關節處等效應力為8.6 MPa，均小于PAL材料屈服極限20 MPa。因此，機器人仿真結果符合要求。

2.3 實物展示

本文使用3D打印技術制造六足機器人各部分零件，采用PAL(樹脂塑料)材料，其具有強度高且輕便的特點，滿足仿真分析中的強度要求。最終整機重量約為5 kg。圖12為實物及多種姿態。

圖12 實物圖

3 結論

1)本文從仿生學的角度設計了一種六足機器人，根據腿部運動空間的大小，確定腿部零件長度比例，經討論確定了機身形狀及六足布置位置。

2)對整體結構和各部分零件進行SolidWorks三維建模并優化，通過ANSYS仿真對機器人進行穩定性分析,并討論其可行性。最終通過3D打印技術完成機器人實物制造。