對(duì)仿生爬行動(dòng)物機(jī)器人的研究與設(shè)計(jì)

賀方心，李涵，倪望曦，李知旻

（東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱, 150040)

0 引言

隨著科技的發(fā)展，動(dòng)技術(shù)的研究，仿生技術(shù)早已進(jìn)入并潛移默化的影響我們的生活。多足機(jī)器人是通過模擬爬行動(dòng)物的爬行方式，并采用多關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的一類機(jī)器人。在生產(chǎn)實(shí)踐中，我們將足數(shù)大于四足的機(jī)器人統(tǒng)稱為多足機(jī)器人。多足仿生機(jī)器人研究一直是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一。在不良地形中，輪式、履帶式機(jī)器人的工作和生產(chǎn)嚴(yán)重受限，為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)提高在復(fù)雜地形或不良狀況下的生產(chǎn)生活能力，多足機(jī)器裝置的出現(xiàn)及研究便具有了十分重要的意義。

作者通過對(duì)于多足仿生機(jī)器人的研究，對(duì)于鱷魚運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的細(xì)致觀察，模擬一種模仿鱷魚腿部的四足運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，通過肢體和電機(jī)的連接形成了一個(gè)基于Arduino主控的多足仿生機(jī)械裝置。仿生鱷魚的尾部采用多舵機(jī)的柔性關(guān)節(jié)，主要結(jié)構(gòu)主要由四個(gè)腿部、軀體、尾部和頭部組成。其中腿部是實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的重要組成部分。腿部由六個(gè)主要結(jié)構(gòu)組成，通過轉(zhuǎn)軸實(shí)現(xiàn)前肢和后肢共同控制，舵機(jī)控制器收到命令后通過傳動(dòng)軸來控制機(jī)器人腿部運(yùn)動(dòng)，通過改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)裝置的前進(jìn)和轉(zhuǎn)向。兩棲運(yùn)動(dòng)模式仿生鱷魚能夠?qū)崿F(xiàn)陸地和水下的兩棲運(yùn)動(dòng)。

1 課題研究的背景和意義

基于輪式、履帶式機(jī)器人以往運(yùn)動(dòng)局限性的情況，隨著人們?cè)谏a(chǎn)生活中對(duì)于機(jī)器人穩(wěn)定性高，適應(yīng)能力強(qiáng)的需求日益高漲。能夠適應(yīng)惡劣、復(fù)雜的地形的機(jī)器人，逐漸有了更重要的作用。而且，伴隨著人們的研究與發(fā)展，多足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和精確度有了較大提升。多足仿生機(jī)器人比其它類型機(jī)器人更有優(yōu)勢(shì)，比如，多足機(jī)器人能更好的適應(yīng)復(fù)雜多變的地形和環(huán)境，利用多關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)多自由度的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，使其更加穩(wěn)定靈活。多足仿生機(jī)器人與地面之間使用球面接觸，可以大大降低接觸面積，使其在崎嶇不平的地形中，能夠運(yùn)行更平穩(wěn)，增強(qiáng)其對(duì)于地形的適應(yīng)能力。通過這種獨(dú)特的仿生結(jié)構(gòu)，使這類多足仿生機(jī)器人能夠模擬鱷魚運(yùn)動(dòng)的過程。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用以Arduino為控制核心，在硬件主控板的ARM微處理器上能完成32位指令，可快速控制舵機(jī)運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)通過三角步態(tài)來實(shí)現(xiàn)自身的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，根據(jù)GF集理論單條腿設(shè)計(jì)三個(gè)主要關(guān)節(jié)，通過一個(gè)舵機(jī)與傳動(dòng)軸實(shí)現(xiàn)前兩肢的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，后肢同理，在多足機(jī)器人行走步態(tài)時(shí)保證至少有2條腿與地面接觸作為支撐。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高了裝置的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，并避免了在運(yùn)動(dòng)過程中腿部之間的影響與干涉，而且極大的增大裝置的腿部運(yùn)動(dòng)空間。參考文章在前進(jìn)方向線與機(jī)器人底板中心處線段的夾角α變化范圍不大的前提下，增大機(jī)器人重心與重心在底面投影的距離，從而提高機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。

可以在復(fù)雜的路面上采用智能方式調(diào)整步態(tài)，增強(qiáng)適應(yīng)能力，例如通過計(jì)算機(jī)運(yùn)算得出最佳步態(tài)從而穩(wěn)定行走。

在繪制模型環(huán)節(jié)，本裝置使用的繪圖軟件是SOLIDWORKS。先對(duì)于裝置進(jìn)行整體繪制，模擬裝置整體運(yùn)動(dòng)狀況。然后設(shè)計(jì)零件，并導(dǎo)出圖紙進(jìn)行加工。最后將各個(gè)部分組裝，完成整體架構(gòu)。

2.1 腿部結(jié)構(gòu)分析

如圖1所示，本系統(tǒng)腿部采用9桿相連的具有1個(gè)自由度的結(jié)構(gòu)，元件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性強(qiáng)、使用壽命高。在生理上模擬踝關(guān)節(jié)，膝關(guān)節(jié)，髖關(guān)節(jié)等骨骼形式。模擬真實(shí)的動(dòng)物運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，通過舵機(jī)帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，再通過圓錐齒輪帶動(dòng)傳動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)，從而形成腿部運(yùn)動(dòng)。采用電驅(qū)動(dòng)的方式，具有清潔環(huán)保、噪音小、控制精確、抗干擾能力強(qiáng)。隨著近幾年電機(jī)的發(fā)展，大扭矩高轉(zhuǎn)速電機(jī)的出現(xiàn)，對(duì)于多足仿生機(jī)器人的研究發(fā)展具有重要意義。腿部?jī)?yōu)化通過MATLAB工具進(jìn)行優(yōu)化分析，通過有限元分析結(jié)構(gòu)對(duì)每一個(gè)單元和節(jié)點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，最終得出最優(yōu)結(jié)構(gòu)方式。

圖1 腿部機(jī)構(gòu)

機(jī)器人所有的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)均由電機(jī)控制，關(guān)節(jié)間采用鋁合金材質(zhì)的鏈接件，可以增加機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性和靈活性。其整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以使多足機(jī)器人很好地模擬爬行動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)步態(tài)和方式，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高了機(jī)器人的穩(wěn)定性，并能減少在運(yùn)動(dòng)過程中腿部之間的碰撞，而且極大的增大機(jī)器人的腿部運(yùn)動(dòng)空間。

在一般情況下，將電機(jī)的控制線與單片機(jī)的一個(gè)控制管腳連接在一起即可實(shí)現(xiàn)對(duì)于舵機(jī)控制，這種控制原理被稱為PWM。但對(duì)于情況更復(fù)雜的多足裝置而言，由于其具有多關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)，因此需要改進(jìn)原有的PWM控制方法，也就是能同時(shí)對(duì)多舵機(jī)進(jìn)行操控，即多路PWM信號(hào)進(jìn)行控制。由于電機(jī)控制器并不具備自我思考的能力，所以必須預(yù)先設(shè)置運(yùn)動(dòng)指令，之后電機(jī)才可根據(jù)指令進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，其舵機(jī)控制器則作為一個(gè)接受命令的從機(jī)。其控制核心采用STC89C53單片機(jī)，由它發(fā)送控制命令，由電機(jī)控制板負(fù)責(zé)生成控制信號(hào)并驅(qū)動(dòng)多足機(jī)器人的各部分結(jié)構(gòu)協(xié)同運(yùn)動(dòng)。使用計(jì)算機(jī)對(duì)于單片機(jī)串口通信程序編寫，并向控制器傳送控制指令，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的步態(tài)動(dòng)作。根據(jù)多足機(jī)器裝置對(duì)爬行軌跡及位置信息的檢測(cè)，arduino主控板便給電機(jī)發(fā)送不同的轉(zhuǎn)速指令，然后自動(dòng)調(diào)整轉(zhuǎn)速。

3 關(guān)于有限元在本機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用與分析

有限元分析的方法在結(jié)構(gòu)優(yōu)化中有著十分廣泛的應(yīng)用。有限元分析首先要將所需結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散化，得到一個(gè)一個(gè)獨(dú)立的細(xì)小單元，然后分析每個(gè)小單元的節(jié)點(diǎn)位移與節(jié)點(diǎn)力，并對(duì)于力與位移的關(guān)系進(jìn)一步探究分析。然后將每個(gè)細(xì)小單元進(jìn)行組合，對(duì)每個(gè)細(xì)小單元的力與位移進(jìn)行整合分析，得到整體的節(jié)點(diǎn)位移與節(jié)點(diǎn)力的方程。通過解這個(gè)方程，便可以得到未知節(jié)點(diǎn)的位移。再將節(jié)點(diǎn)位移帶入每個(gè)細(xì)小單元，便可求出整個(gè)離散模型的最終數(shù)值解答。

在本裝置中，通過SOLIDWORKS對(duì)于足部的組成桿件的位移應(yīng)變和應(yīng)力等進(jìn)行分析。以腿部結(jié)構(gòu)中與軸相連的桿件為例，對(duì)于此桿件進(jìn)行有限元分析。

本裝置采用的電機(jī)是ZLSZ42集成式閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)，輸出保持力矩為0.72N.m。經(jīng)過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，算出桿件所受的力為：60N.m的力矩和50N的正壓力。在SOLIDWORKS將此桿件離散化后，固定其與軸相連的表面，并將相應(yīng)的力施加在此表面，從而得出此桿件的應(yīng)力，位移與應(yīng)變情況。圖2便為桿件的離散化模型，圖3,圖4和圖5顯示了此桿件的應(yīng)力，位移與應(yīng)變情況。

圖2 離散化模型

圖3 桿件所受應(yīng)力圖

圖4 桿件位移圖

圖5 桿件應(yīng)變圖

通過對(duì)于每個(gè)桿件的有限元分析，從而確定每個(gè)桿件運(yùn)動(dòng)過程中應(yīng)力力，位移和應(yīng)變情況，以得知桿件是否受損，以便及時(shí)準(zhǔn)確的對(duì)于桿件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善和優(yōu)化。