基于慧魚模型的多足爬行機(jī)器人系統(tǒng)研究

張芷瑞，張碩，孫浩，于淇，姬光輝，尹福祿，楊名，劉亞梅

（長春工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長春 130012）

0 引言

在人類發(fā)展史上，生產(chǎn)力和生產(chǎn)水平的提高始終推動著運(yùn)載工具的發(fā)展。從手提肩扛到車的發(fā)明，再到火車、飛機(jī)、輪船等一系列運(yùn)載工具的出現(xiàn)，人類始終在運(yùn)載工具的發(fā)明和發(fā)展上不斷探索，使人類的運(yùn)載不再受到高山的限制和汪洋大海的阻隔。目前，世界上陸地運(yùn)載工具主要可以分為輪式機(jī)械、足式機(jī)械、履帶式機(jī)械3種。輪式移動機(jī)構(gòu)具有移動速度快、效率高、控制簡單等優(yōu)點(diǎn)，但輪式移動機(jī)構(gòu)對移動表面要求較高，僅適用于平坦且無障礙表面[1]；履帶式機(jī)械相較于足式機(jī)械，越障能力更強(qiáng)，但是存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、機(jī)動性差的問題。基于上述情況，科學(xué)家應(yīng)用仿生學(xué)原理，發(fā)明了一類接觸面積更小、越障能力更強(qiáng)的足式機(jī)器人。目前，國內(nèi)外對足式機(jī)器人的研究仍處于初步階段，范大川[2]研究了一種新型并聯(lián)腿式六足機(jī)器人，應(yīng)用6-SPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)，使其運(yùn)動平穩(wěn)，并且能完成越障礙和上樓梯等復(fù)雜動作；Li Huayang等[3]將基于爬樓能力的六足機(jī)器人進(jìn)行了尺寸設(shè)計(jì)，使足式機(jī)器人的支腿機(jī)構(gòu)與樓梯間的干涉問題得以解決；曾宣淇[4]對四足機(jī)器人進(jìn)行了豎直跳躍研究，使足式機(jī)器人不再局限于行走動作，也可進(jìn)行穩(wěn)定跳躍。

本文從慧魚創(chuàng)意組合模型入手，應(yīng)用基本的機(jī)械結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)并組裝了一種多足爬行機(jī)器人。該機(jī)器人成本低、仿生效果好、步態(tài)平穩(wěn)。在此基礎(chǔ)上加裝了噴水、切割等多功能機(jī)械結(jié)構(gòu)，可廣泛應(yīng)用于林業(yè)、農(nóng)業(yè)等多個領(lǐng)域。

1 慧魚創(chuàng)意組合模型介紹

慧魚創(chuàng)意組合模型是適用于創(chuàng)新教育和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的工程技術(shù)類智趣拼裝模型，主要有教學(xué)模型、培訓(xùn)模型、工業(yè)模型三大系列的各種組合包，利用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基本構(gòu)件，輔以傳感器、控制器、執(zhí)行器和軟件的配合，可以實(shí)現(xiàn)任何技術(shù)過程的還原，有利于大型機(jī)電設(shè)備正式投產(chǎn)前的模擬再現(xiàn)。此模型有助于提高大學(xué)生的創(chuàng)新能力與實(shí)踐能力[5]。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文開發(fā)的多足爬行機(jī)器人主要包括行走機(jī)構(gòu)、液體噴灑機(jī)構(gòu)和切割機(jī)構(gòu)，總體模型如圖1所示。

圖1 機(jī)器人總裝CATIA模型

2.1 行走機(jī)構(gòu)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械行走部分采用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，輔以電動機(jī)驅(qū)動和齒輪傳動。行走機(jī)構(gòu)的三維模型如圖2所示。電動機(jī)驅(qū)動齒輪轉(zhuǎn)動，利用齒輪嚙合將電動機(jī)轉(zhuǎn)動時(shí)的動能進(jìn)行能量傳遞。機(jī)器人足部的曲柄安裝在齒輪上，并且間隔安裝，以保證步態(tài)一致。左右兩側(cè)足部結(jié)構(gòu)對稱。齒輪轉(zhuǎn)動時(shí)，安裝在齒輪外緣的曲柄做定軸轉(zhuǎn)動，同時(shí)曲柄的軸端與腿的T字形桿一端相連，驅(qū)動腿部做橢圓運(yùn)動。兩側(cè)連接端均以連接點(diǎn)為軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動。由于齒輪上曲柄和腿部T字形桿運(yùn)動范圍受機(jī)構(gòu)限制，因此直桿的擺動范圍也有一定限度。足部T字形桿的設(shè)計(jì)分為兩類：一類是與地面硬接觸的足部T字形桿，此類桿件在運(yùn)動時(shí)與地面的靜摩擦力較大，動能損失更小，能夠給予機(jī)器人更大的推動力；另一類是通過安裝彈簧實(shí)現(xiàn)與地面軟接觸的T字形桿，此類桿件在與地面接觸時(shí)可以通過彈簧來減輕載物臺的振蕩，從而使載物臺在機(jī)器人前進(jìn)狀態(tài)下載物更平穩(wěn)，達(dá)到在機(jī)器人行走過程中進(jìn)行充分減震的目的。在整機(jī)中，共用4套相同的傳動機(jī)構(gòu)，以擴(kuò)大載物臺的面積并保證機(jī)器人前進(jìn)過程中的穩(wěn)定性。

圖2 行走機(jī)構(gòu)CATIA模型

2.2 液體噴灑機(jī)構(gòu)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

農(nóng)作物生長發(fā)育過程經(jīng)常遭受到病菌、害蟲、雜草等生物的侵害[6]，在清潔工作等其他作業(yè)過程中也有進(jìn)行液體噴灑的需求，因此在載物臺上方添加了基于慧魚創(chuàng)意組合模型的液體噴灑機(jī)構(gòu)以提高該機(jī)器人的實(shí)用價(jià)值。液體噴灑機(jī)構(gòu)的三維模型如圖3所示。小型電動機(jī)驅(qū)動同步帶機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，同步帶機(jī)構(gòu)中的大滑輪驅(qū)動同軸的曲柄轉(zhuǎn)動，曲柄與活塞底部相連，曲柄轉(zhuǎn)動過程中驅(qū)動活塞上下移動，將氣體鼓入液體儲存缸，進(jìn)而增大了液體儲存缸內(nèi)的大氣壓強(qiáng)，在氣壓的作用下，液體被壓入導(dǎo)管，并從噴嘴噴出。噴嘴與絲杠導(dǎo)軌驅(qū)動的升降機(jī)構(gòu)相連，在電動機(jī)驅(qū)動絲杠導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)升降時(shí)，噴嘴上下運(yùn)動，從而增大了液體的噴灑范圍。

2.3 切割機(jī)構(gòu)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械除草是一種綠色環(huán)保的雜草清除技術(shù)，是最為理想的雜草清除方式之一，同時(shí)，在許多特種作業(yè)中，往往需要將前方障礙物通過切割的方式進(jìn)行去除。在機(jī)器人載物臺上添加了可升降的切割機(jī)構(gòu)。切割機(jī)構(gòu)的三維模型如圖4所示。在設(shè)計(jì)中，由于慧魚創(chuàng)意組合模型的零件限制，切割刀具采用扇葉進(jìn)行替代。為保證切除的充分性和工作效率，在已有的行走機(jī)構(gòu)前進(jìn)（后退）的自由度基礎(chǔ)上，應(yīng)用由齒輪齒條組成的十字滑臺添加了水平移動和上下移動兩個自由度，以此來擴(kuò)大切割的范圍。

圖4 切割機(jī)構(gòu)CATIA模型

3 電氣控制部分設(shè)計(jì)

3.1 工作流程設(shè)計(jì)

基于上述機(jī)械結(jié)構(gòu)和預(yù)想的機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)的功能，設(shè)計(jì)并梳理出圖5所示的機(jī)器人工作流程圖。機(jī)器人上電，工作開始，首先要確定本次工作要執(zhí)行的任務(wù)是載物、切割還是液體噴灑。如果是載物，則要通過電氣控制，確定運(yùn)載的方向；如果是切割，則需要在工作前確定待切割物體所在位置，通過循跡定位、滑臺微調(diào)，確定位置后電動機(jī)進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)切割粉碎障礙物；如果是噴灑，前期定位工作流程與切割相似，只需在后期對氣缸進(jìn)行電氣控制，將氣體壓入儲液缸，以增大氣壓，進(jìn)行液體噴灑。

圖5 機(jī)器人工作流程圖

3.2 電路設(shè)計(jì)

控制器的選擇恰當(dāng)與否、是否與其功能相匹配、電路設(shè)計(jì)是否科學(xué)是影響機(jī)器人正常運(yùn)行的關(guān)鍵因素。在本機(jī)器人運(yùn)行過程中，應(yīng)用到最多的執(zhí)行機(jī)構(gòu)便是電動機(jī)，而單片機(jī)在工控中的應(yīng)用便是實(shí)現(xiàn)對電動機(jī)的精確控制[7]，故依據(jù)單片機(jī)原理，應(yīng)用機(jī)電接口技術(shù)[8]，采用MCS-51單片機(jī)輔以額定電壓為9 V的電動機(jī)，對該機(jī)器人進(jìn)行電氣控制。機(jī)器人的控制電路如圖6所示。使用單片機(jī)的兩個I/O腳控制直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向。其中P2.6腳輸出PWM信號以控制直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，P2.7腳用來控制直流電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。圖6中的驅(qū)動電路使用了NPN低頻、低噪聲小功率達(dá)林頓管2SC2547。當(dāng)P2.6=1時(shí)，P2.7發(fā)送PWM信號，直流電動機(jī)正轉(zhuǎn)；反之，當(dāng)P2.6=0時(shí)，P2.7發(fā)送PWM信號，直流電動機(jī)反轉(zhuǎn)。通過改變PWM信號的占空比，從而實(shí)現(xiàn)對直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。通過調(diào)整直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速，使機(jī)器人前進(jìn)和后退的速度得以控制，通過調(diào)整直流電動機(jī)轉(zhuǎn)向，使機(jī)器人的行進(jìn)方向得以靈活選擇，更加提升了機(jī)器人工作的靈活性和實(shí)用性。

圖6 機(jī)器人電路圖

3.3 程序設(shè)計(jì)

基于3.1節(jié)中所述的工作流程和3.2節(jié)中所述的電路原理，應(yīng)用KeiluVision4編譯器對該電路進(jìn)行程序編寫和控制。機(jī)器人的程序控制思路可用圖7所示的流程圖清晰表示。首先對接口定義,定義P2.6控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)向，P2.7產(chǎn)生PWM波，然后通過確定電動機(jī)正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)的時(shí)間來對機(jī)器人前進(jìn)與后退的時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié)。在程序編寫中，通過判斷語句使電動機(jī)判斷是否到達(dá)預(yù)定的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)時(shí)間，若到達(dá)，則回到信號發(fā)射周期的起始位置繼續(xù)發(fā)射高電平或低電平，使電動機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)循環(huán)工作，若電動機(jī)未達(dá)到指定時(shí)間，則需要繼續(xù)完成該項(xiàng)工作。

圖7 程序設(shè)計(jì)思路

4 實(shí)物樣機(jī)調(diào)試

根據(jù)圖1所示的CATIA三維模型，對該機(jī)器人進(jìn)行了實(shí)物組裝和樣機(jī)調(diào)試，機(jī)器人實(shí)物如圖8所示。調(diào)試過程中在空載狀態(tài)下機(jī)器人依照預(yù)先設(shè)計(jì)的行走步態(tài)走完了預(yù)想的軌跡。在機(jī)器人載物臺上加上了適量的載荷，機(jī)器人也能夠走完預(yù)想的軌跡。將機(jī)器人放在不同地形的模擬沙盤上，機(jī)器人也能夠完成行走，且載物臺平穩(wěn)，不發(fā)生顛簸。同時(shí)，在調(diào)試中，為了驗(yàn)證液體噴灑機(jī)構(gòu)和切割機(jī)構(gòu)的工作性能，同時(shí)保證實(shí)驗(yàn)的安全性，在儲液缸內(nèi)加入了自來水，通電后在電氣控制下，液體能夠順利噴灑；將假草平鋪在地面上來模擬待切割的物體，通電后電動機(jī)驅(qū)動扇葉所替代的“切割刀”旋轉(zhuǎn)，沒有受到“切割物”的阻礙。實(shí)物調(diào)試的成功，進(jìn)一步驗(yàn)證了所開發(fā)的多足爬行機(jī)器人系統(tǒng)滿足了設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能。

圖8 機(jī)器人實(shí)物圖

5 結(jié)語

本文基于慧魚創(chuàng)意組合模型，設(shè)計(jì)了一種多足爬行機(jī)器人系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)中充分考慮了機(jī)器人的機(jī)械特性和實(shí)用價(jià)值。應(yīng)用了CATIA三維建模軟件對機(jī)器人進(jìn)行了機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)用AutoCAD軟件和MCS-51單片機(jī)對機(jī)器人進(jìn)行了電路設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)。此后又應(yīng)用慧魚創(chuàng)意組合模型的零件對機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了搭建，對機(jī)器人的電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行了電路連接和程序編寫。最后進(jìn)行了通電測試，機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了預(yù)想的結(jié)構(gòu)與功能。目前該模型還停留在慧魚創(chuàng)意組合模型階段，但是在自動化、智能化的大趨勢和大背景下，該機(jī)器人的設(shè)計(jì)理念和工作原理值得推廣，在載物臺上方更換不同的機(jī)械系統(tǒng)使之應(yīng)用于不同的領(lǐng)域，或者應(yīng)用理論力學(xué)、材料力學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科的相關(guān)原理，對機(jī)器人的材料性能、機(jī)械特性進(jìn)行更精準(zhǔn)、更科學(xué)的評估和改良。