一種遠程可控式仿生螃蟹機器人

梁廣南 LIANG Guang-nan；何偉 HE Wei；張馨月 ZHANG Xin-yue；蔣柏林 JIANG Bo-lin；楚雪莉 CHU Xue-li；周桂宇 ZHOU Gui-yu

（宜賓學院，宜賓 644000）

0 引言

仿生機器人為21 世紀初機械科學發展的一個重要方向。目前，在機器人研究領域，應用仿生學原理，模仿生物的結構特性、從事適合生物特點工作的仿生機器人的研究極具發展潛力，而多足仿生機器人則成為其研究的一個熱點。但是在設計上也有一定的缺點：作為一款靈活移動機器人，卻無法做到靈活的轉動，在仿生螃蟹的基礎上沒有改善其無法靈活轉動的缺點；在作用上功能比較單一；運行的穩定性不強；蟹鉗不能夠靈活夾取物品；控制功能不完善等設計缺點。（圖1）

本發明提供了一種仿生螃蟹機器人：由WiFi 實現了遠程控制，可以代替人工進行取物，同時鉗子可以進行模塊替換以實現不同的功能，如穿插、挖掘等。在滿足基本使用需求后，模塊化的接口設計能夠更有效提高機器人的一體性。

1 基本設計方案

本次設計的仿生螃蟹清潔機器人是通過電機連接齒輪帶動鏈條發力帶動曲柄搖桿機構使其整體開始運動，并采用ROBO PRO 編程，能夠實現藍牙控制、遙控控制。此設計共采用7 個電機，3 個限位開關，1 個光敏傳感器。底盤兩個電機分別帶動左右兩個曲柄搖桿運動；遇到垃圾物品時通過連接機械臂大臂的電機控制機械臂整體的升降（此處有兩個限位開關，方位機械臂運動過位，損傷機械臂），再通過控制機械臂的機械爪抓取物品，升起機械臂時觸碰限位開關，立即將物品丟入頂部的垃圾筐中。再控制垃圾筐下方連接的渦輪機構控制垃圾筐的升降。

1.1 機器人基本結構

該仿生螃蟹機器人包括：行走驅動部分，裝載部分，導向部分，夾取部分，信息接收和發送部分，傳感器部分，攝像頭模組，控制部分和電源部分。

①裝載籃。

本設計利用絲杠傳動從而帶動傾斜臺，控制改變載物籃的傾斜度來進行翻倒，且結構緊湊，易于控制，又因為增加了限位開關，可以限制位置以保證設備安全。

②搖桿機構。

本設計運動部分采用Ⅲ級桿組的閉鏈五桿機構，消除傳統仿生機械的多自由度，保留一個自由度，運行狀態穩定，驅動簡單，易于控制。其運動副為低副，低副兩運動副元素為面接觸，壓強較小，故可承受較大的載荷，且有利于潤滑，磨損較小；另外其運動副的幾何形狀較簡單，便于加工制造；在連桿機構中，當原動件的運動規律不變可用改變各構件的相對長度來使從動件中得到不同的運動規律，可以用來達到擴大行程和實現遠距離傳動等目的。

③機械臂。

關節式機械臂是一種適用于靠近機體操作的傳動形式。可實現多個自由度，動作比較靈活，適于在狹窄空間工作。通過電機齒輪控制機械臂的起降，同時控制更加便捷。

1.2 工作過程

行走驅動：在控制面板上點擊“前”鍵，兩側腿部處電機19 正轉，通過齒輪鏈條16、17、18 將動力傳遞到腿部大齒輪13 上，同側腿再通過大齒輪的齒輪鏈條13、14、15 嚙合以達到同側同步運動，再通過腿部曲柄搖桿機構，將齒輪轉動轉化為腿部擺動，以達到爬行行走。反之，點擊控制面板上“后”鍵，電機19 反轉，將動力通過齒輪鏈條17、18、19 傳遞到腿部大齒輪13 上，同側腿也通過大齒輪的齒輪鏈條13、14、15 以達到兩側同步運動。當裝置正處于前或后的運動狀態時，點擊控制面板上的“停”鍵，使電機19 停止轉動，以停止驅動電機來停止行走。同時在移動過程中，可通過藍牙遙控器控制藍牙模塊連接的導向輪21上的舵機20，實現移動過程中的左轉右轉。結構如圖2、圖3 所示。

圖2 輪腿部分結構圖解

圖3 導向部分結構圖解

①由桿1、桿2、桿3、桿4、桿5、桿6 構成一組曲柄搖桿機構。

②由桿7、桿8、桿9、桿10、桿11、桿12 構成一組曲柄搖桿機構。

③各桿連接處內部均有軸承保證其轉動良好，兩兩連桿直接通過鉸制孔用螺栓連接保證其穩定性。

夾取機械臂：在控制面板上點擊“鉗子”，（初始狀態默認為鉗子閉合，鉗子由電機22 驅動），電機22 正轉，絲杠24 轉動，鉗子滑塊23 向前移動，帶動鉗子25 張開，待張開到需要的大小后，點擊“停鉗”，電機22 停止，絲杠24 停止轉動，鉗子25 停止張開并鎖定開口大小。待控制裝置移動到待夾取物時（通過控制面板上攝像頭反饋畫面觀察，物體到鉗子張口中心），再次點擊控制面板上的“鉗子”，使電機36 反轉，絲杠24 反向轉動，鉗子滑塊23 向后移動，帶動鉗子25 閉合，待夾住物體后，點擊“停鉗”，使電機22停轉，鉗子停止閉合并鎖定開口大小。再點擊控制面板上“臂”，電機32 正轉、電機30 反轉，再通過齒輪27 傳動，帶動小臂29 抬起，同時電機36 正轉，通過滾輪將線收束，使大臂26 抬起，待夾取物體的鉗子到達裝載籃后，點擊“停臂”，使電機36、30、32 停止轉動。之后再點擊“鉗子”，使電機22 正轉，絲杠24 轉動，鉗子滑塊23 向前移動，帶動鉗子25 張開，待物體落入裝載籃后，點擊“停鉗”，電機22 停轉，鉗子25 停止張開并鎖定開口大小。再次點擊“臂”，電機32 反轉、電機30 正轉，再通過齒輪27 傳動，使小臂29抬高，待延時兩秒后，電機34 反轉，通過滾輪34、35 反轉釋放線，又因為重力作用，臂自然放下，待大臂落至限位開關31 處時，觸發后，電機36 停轉，防止滾輪不停轉動，將大臂26 重新拉上去。最后通過攝像頭觀察，待鉗子回到初始位置，點擊“停臂”，停止電機32、30 的轉動。結構如圖4所示。

圖4 夾取部分結構圖解

裝載籃傾倒與回位：待裝載籃37 裝滿收集物品（垃圾）后，點擊控制面板上“裝載籃”鍵，電機40 正轉，帶動絲杠39 轉動，使裝載籃滑塊38 向前移動（此處前為裝載籃開口方向），使裝載籃轉動連接出42 傾角增大，通過滑塊38 不斷移動，待到達極限位置，電機M1停轉，絲杠也停止轉動，裝載籃滑塊38 停止移動并被絲杠39 鎖死。之后再次點擊“裝載籃”，電機40 反轉，絲杠反向轉動，帶動裝載籃滑塊向后移動，待移動到另一極限位置（此處極限位置為裝載籃滑塊初始位置）后，電機40 停轉，絲杠39 也停止轉動，由此回到初始裝載籃37 位置。結構如圖5 所示。

圖5 裝載部分結構圖解

夜間照明：在外界光照強度高時，光電傳感器I3接收信號，照明燈O3、O4停止運作（熄滅），當外界光照強度下降時，光電傳感器I3接收信號，照明燈O3、O4開始工作（亮起）。

1.3 動力學分析

通過前面三步對機構模型的建立以及分析，可以使用回放功能對分析結果進行回放，檢查干涉，查看測量和動態測量，獲取軌跡曲線和運動包絡線以及創建轉移到Mechanica，有利于設計者了解機構的設計合理性、可行性等工程分析。在絲杠旋轉帶動滑塊平移的過程中，絲杠前端會承受壓力，同時絲杠螺旋線上表面會受到載荷。將絲杠材料定義為結構鋼，在旋轉過程中受到5N 方向軸向的壓力，最后通過受力分析可靠性。

2 軟件控制

行走驅動控制：在控制臺上（電腦）點“前”“后”可對機器人發送前進后退指令，通過EM1上M3M4電機正轉反轉實現，點擊“停”可讓EM1上M3M4電機停止，從而使之前的前后運動過程停止。

夾取控制：點擊控制臺（電腦）的“鉗子”鍵，可使鉗子電機M3正轉，從而鉗子張開，再點擊“停鉗”，使正轉停止。待鉗子運動到指定位置，再次點擊“鉗子”鍵，使鉗子電機M3反轉，鉗口收縮，直至夾住物體，再點擊“停鉗”，停止電機M3反轉。

機械臂控制：點擊控制臺（電腦）的“臂”鍵，使M4正轉，使機械臂大臂抬起至I4，觸發I4，使EM1上M1正轉M2反轉，使機械臂小臂抬起，待鉗子到達載物籃后，點擊“停臂”，使機械臂向上運動停止。再點擊“臂”鍵，使EM1上M1反轉M2正轉，機械臂小臂放下，延時兩秒后，M4反轉，直至觸發I5，機械臂下放動作停止。

載物籃控制：點擊控制臺（電腦）上“載物籃”鍵，M1正轉，載物籃抬起，倒出載物籃中物體，到達I1后，觸發I1，M1正轉停止。再點擊“載物籃”，M1反轉，載物籃放下，直至到達I2，觸發I2，載物籃回歸原位。

夜間照明：當外界環境為白天時，I3光電傳感器不觸發，照明燈O3O4不亮，當外界環境為夜晚時，I3光電傳感器觸發，照明燈O3O4長亮。

3 本設計技術優勢

①實現遠程控制，突破環境對人們行動的限制，使其使用更加便民化、便捷化，在10 米范圍內可實現遠程控制。②可實現自動感光開啟或關閉LED 燈，更加契合資源最大化利用、保護環境的要求，當光照強度低于333Lx 可自動開啟夜間照明模式。③能實現垃圾一鍵夾取、傾倒功能，使其操作更加便捷。④仿生螃蟹的獨特運動方式，讓其不受環境的約束，同時能夠在平地、草地、沙地等特殊場地進行作業。