基于仿生原理的六足機器人研制

2024-11-05 00:00:00孫慧超何林霖蔣雯雯樊伊凡張嘉駿

科技創新與應用 2024年30期

摘要：六足機器人是一種仿生機器人，受到自然界昆蟲的啟發，具有良好的適應性和靈活性。該機器人設計采用六條腿進行移動，能夠在各種復雜地形中行進，并具備穩定性和攜帶裝備功能。通過仿生原理，結合機器人技術和生物學知識，通過持續研制和實驗，拓展其在探索危險環境、災害救援和科學研究等領域的應用。

關鍵詞：仿生原理;六足機器人;結構設計;功能測試;舵機運動控制

中圖分類號：TP242 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）30-0032-04

Abstract： Hexapod robot is a kind of bionic robot inspired by insects in nature and has good adaptability and flexibility. The robot is designed to move on six legs， can travel in a variety of complex terrains， and has stability and the ability to carry equipment. Through biomimetic principles， in combination with robotic technology and biological knowledge， and through continuous development and experiments， expand its application in fields such as exploring dangerous environments， disaster rescue and scientific research.

Keywords： biomimetic principle; hexapod robot; structural design; functional testing; steering gear motion control

為了推動科學技術的發展和人類社會的進步，人們不斷探索和研究那些無法到達且可能危及生命的特殊環境，尋求解決問題的方法。六足機器人開發項目旨在利用先進技術仿生原理，創造一種可以進入危險環境、開拓未知領域的機器人，從而推動科學技術的發展并服務于人類社會的需求[1]。目前陸地作業中常用的移動機器人主要有3種類型：履帶式、輪式和足式機器人。它們各有特點，比如輪式機器人可以在較為平坦的地形上行駛，運動穩定移動簡單，但動力不足無法跨越障礙，不適用于艱難崎嶇的路面;多足機器人狀態不穩定，行走時易發生傾倒，采用靜態步態行走時速度緩慢;履帶式機器人運動時噪音較大，運行速度較低，轉向較為費勁[2]。

六足機器人具有良好的適應性和機動性，可以在各種復雜地形上行走，如崎嶇的山地、不規則的表面或其他不平坦的地形，它們的六只腿使得它們能夠平穩地通過障礙物，跨越狹窄的縫隙或穿越不同高度的地形，可以爬過倒塌的建筑物、破碎的地面或其他障礙物，搜尋幸存者，提供緊急救援。同時，六足機器人在未知或惡劣的環境中也具有較強的探索能力，例如，在外太空、深海或其他無法輕易到達的地方，六足機器人可以克服重力、水壓等困難，探索并搜集數據。

我國六足機器人的起步比國外更晚，但也仍取得了一些成就。西南科技大學在2016年成功研發了一款體型龐大的，可以承載500 kg重物的重載液壓驅動六足機器人。機器人腿部配有3個液壓油缸，利用液壓泵對其進行精準控制，讓他們彼此配合，共同作用，使六足機器人的腿部關節能夠靈活轉動，從而實現機器人的行走功能。通過液壓泵對腿部3個油缸的精準控制，實現3個關節的靈活轉動，從而使機器人能夠完成行走動作[3]。太原理工大學研究的步履式六足機器人，有2種運行情況，一種是在平整路面上，主要依賴足部的履帶來進行高效移動;另一種是在遇到障礙物或者崎嶇路面上，該機器人可以切換至多足爬行模式進行越障。這款六足機器人不僅運動速度快功能性強，而且整體結構穩固，其中在采用履帶模式行進時，六足機器人速度可達0.7 m/s[4]，具有很高的實用價值。到2021年，西南石油大學研制出了一款水陸兩棲六足機器人，與常規的結構不同，該機器人的機身是半球形的設計，可以封閉它的控制電路，保證在水中工作的安全性和穩定性。另外機器人的腿部采用了足式復合的運動結構，這種設計使得機器人在水下環境中能夠靈活移動。而在各個關節處，特別配備了能夠噴水的電機。這樣，在水下環境中，只需簡單調整這些噴水電機的轉速，就可以實現對機器人運動狀態的精確控制，使得機器人能夠輕松自如地運動。其六足位置以中心對稱的方式均勻分布在機身上，使得機器人能夠在陸地和水域中自由穿梭[5]。

1 六足機器人原理樣機設計

六足機器人與四足機器人有著不同的優勢和特點。六足機器人依靠多足的特點，在行走時能保持較好的穩定性，避免傾倒的情況發生，并且通過合理的步態設計，可以實現靜態步態行走，從而提高行進效率和負重能力。相比之下，傳統的四足機器人在實現靜態步態時需要單獨邁出每一條腿，速度相對較慢。相較于更多足的機器人而言，六足機器人結構更加簡單，因此在維護方面會更加方便快捷，適應能力更強，這使六足機器人在某些特定的應用場景中具備了明顯的競爭力。

1.1 仿生原理

通過模仿蜘蛛的外觀和運動節律，借鑒昆蟲和節肢動物的多足結構，設計出能夠通過合作運動實現高效的移動和穩定的姿態控制的六足機器人。它可以利用多條腿來支撐和平衡機體，保持穩定的姿態，通過合理地分配腿部運動和支撐，實現機器人在各種地形和環境中的穩定移動;根據生物運動學原理，優化六足機器人的步態設計，使其能夠高效地行走和轉向[6]。通過模擬昆蟲的步態、腳部運動規律等，提高機器人的運動效率和適應性;借鑒生物的感知系統和神經控制機制，為六足機器人設計高效的傳感器系統和智能控制算法[7];通過感知環境信息并實時調整步態和姿態，使機器人能夠智能應對復雜的環境和任務需求。

同時在設計過程中要考慮機器人的靈活性、韌性和適應性，以應對各種挑戰和變化。

1.2 六足機器人結構設計

六足機器人的機身采用獨特的八邊形設計，其中部較長而兩側較窄，并在中部向里收斂，巧妙地擴大了腿部活動范圍，為機器人提供了更廣闊的運動空間。腿部的設計靈感來源于蜘蛛的腿部結構，六足在機身兩側呈對稱分布，這樣的布局不僅優化了空間使用，還極大增強了機體的穩定性。在每條腿都配有3個舵機，即3個活動關節，并通過轉動副連接，這意味著每條腿都擁有3個自由度，確保了腿部運動的靈活性和穩定性。通過這種設計，我們實現了腿部活動范圍的最大化，即便在有限的空間內，機器人也能展現出出色的運動能力[8]。根據以上，我們通過建模軟件建立零件圖，并裝配出六足機器人，如圖1所示。

腳部支架讓六足機器人受力均勻，每條腿上都有一、二、三號舵機和連接件，一共18個舵機單元可獨立控制，也可分別配合，使六足機器人更加靈活，能夠完成更多的動作指令，上下兩個支撐板可放置主控制板、電池和傳感器，增強了實用性。同時，為了更好地觀看分析機器人的結構特點，便于后續組裝，我們又做了其爆炸圖及動畫，如圖2所示。

2 硬件部分

六足機器人的硬件部分總體框架如圖3所示，主要包括Arduino主控板、外部的舵機模塊、電源模塊和傳感器模塊，紅外和藍牙傳輸模塊。以Arduino主控板作為六足機器人的核心控制器，主控板集PWM舵機控制、總線設備控制（總線舵機、總線電機、總線MP3等）和眾多控制方式（USB、串口、手柄和紅外等）為一體，擁有豐富的外部接口，運算高效同時還可以保持較低的能耗，滿足六足機器人所需的控制要求。

2.1 傳感器模塊

為了實時采集六足機器人工作時周圍的環境信息，并能有效進行反饋控制，我們設計了相關傳感器模塊，見表1。

2.2 舵機運動控制

舵機的轉動可以用PWM（pulse width modulation）來實現。通過調整PWM波的占空比控制舵機的旋轉角度，六足機器人可以實現多種工作模式。270°角度的正反轉、360°的定時連續旋轉、360°的定圈連續旋轉等模式可切換[9]，通過單總線通訊，波特率115 200，每個舵機之間通過總線串聯。每條腿的關節處均裝備了舵機，負責驅動關節進行轉動。這6個舵機固定于特定位置，協同工作以推動機器人實現前進、后退和行走等動作，完成操作員設定的相關任務。其中，每條腿與軀干連接的地方均設有2個舵機，分別負責控制足的轉動以及足的抬起與放下。此外，還有一個舵機用于連接支撐部分，實現下半部分足的升降。整個運動控制系統由18個舵機組成，每條腿配備3個，確保機器人能夠順暢地執行各項功能[10]。

3 功能測試

通過不同終端使六足機器人擁有更多功能，如使用紅外遙控控制器，實現蜘蛛復位、蜷縮、切換功能、低姿快速、防御、低姿左轉、低姿右轉、低姿后退、左右移動、手勢移動、自由避障和定距跟隨等功能;使用手柄控制，實現前進、后退、轉向、姿態轉換和防御等簡單動作;建立基本MP3模塊，實現相應條件下語音和音樂功能等。

3.1 zide軟件、mixly軟件與傳感器選擇

本項目六足機器人的一切運動，都離不開zide軟件動作的開發、mixly編程與傳感器的適當安裝。

在zide軟件中，首先，為了區分不同的舵機身份，設置可辨別同時有合理規律的ID。接下來，設置各個舵機PWM值，控制每個舵機旋轉角度，形成一個靜止形態，由多個靜止形態合并組成一個動作組，并設置TIME值使各個靜止狀態之間在設定好的時間內完成轉換，以此實現我們想要的動作。這為六足機器人所有行動與智能功能打下基礎。通過一個藍牙模塊與手柄連接，并在zide軟件上對手柄的每個按鍵與具體行動聯系配置，從而基本實現了手柄的各項功能。

在以上工作基礎上，使用mixly編程，先將紅外遙控器的按鍵與功能對應，通過代碼使相應的傳感器在收到按鍵信號后開始工作，傳感器通過具體情況產生信號傳給Z-LINK模塊，該模塊收到傳感器信號后按照編程要求的行為控制主板實現運動，以此實現復雜功能[11]。編好代碼后將所編寫程序下載到連接六足蜘蛛機器人主板的Z-LINK模板，將各所需傳感器安裝到Z-LINK模塊對應接口，以此實現紅外遙控的功能，如圖4所示。以上功能實現的傳導路徑，也是我們著手實現蜘蛛智能化運動的實踐思路，可進一步概括為“紅外控制器-ZLINK-傳感器-ZLINK-主板-舵機-具體運動”。

3.2 MP3功能模塊的實現

本項目六足仿生機器人所采用的MP3模塊為總線模塊，可使用總線串聯到控制器中。其中，在喇叭接口接入功率不超過3 W的喇叭（功率過大容易導致發熱損壞，影響使用時效）?？偩€接口則用于指令信息的傳輸及模塊的供電，通過單片機系統對單總線接口S信號口發送TDX，即可完成對模塊的控制。此外，TF卡插槽也是完成此模塊功能不可或缺的部分，其支持MP3等多種格式的語音文件，為語音模塊功能的實現提供可能。

3.3 開機自動運行測試

設置開機動作，根據路徑規劃和環境感知結果，機器人會控制六條腿的運動，實現前進、后退、轉向和爬坡等動作，動作控制精準度高，確保機器人按照預定路徑順利移動，可在上位機軟件中直接設置，或是通過指令設置，前者較為簡單但只能設置一個動作，后者更加靈活，但對操作要求更高，需要扎實掌握控制指令。我們團隊在綜合考慮與具體多次實踐中，最終使用了指令設置開機動作的方法，如圖5所示。

4 結論

實驗發現，六足機器人可以在不穩定的表面上行走，并使用各種傳感器來感知和分析周圍環境;它們的穩定性和強大的機械結構使其能夠攜帶重量較大的物體，可以用于運輸和搬運重物，并在狹小或擁擠的空間中進行精確操控。因此，可以在工業生產、建筑工地或其他需要大量物品搬運的場景中發揮重要作用。

總的來說，六足機器人在應對復雜地形、災難救援、探索未知環境和運輸搬運等方面具有獨特的優勢，它的靈活性與強適應性可以解決一些傳統機器人難以克服的困難，應用范圍更廣。隨著技術的不斷發展，在未來提升六足機器人的運動效率和智能控制，增加它的學習能力，六足機器人的應用前景將會更加廣闊。

參考文獻：

[1] 劉心怡.仿生六足機器瓢蟲[J].農村青少年科學探究，2019（5）：14-15.

[2] 馬鑫，吳銀川.六足機器人控制系統設計[J].儀器儀表用戶，2023，30（6）：14-18.

[3] 李昔學，留滄海，劉佳生，等.大型重載液壓驅動六足機器人樣機實驗[J].機械設計與研究，2016，32（6）：28-31.

[4] 楊政，馬春燕，竇銀科，等.步履式全地形六足機器人[J].液壓與氣動，2022，46（1）：109-116.

[5] 王宇，周爽，李亞鑫.水陸兩棲六足機器人的設計與性能評估[J].中國機械工程，2022，33（17）：2079-2086.

[6] 何東倫，孫曉雪，徐劉杰，等.仿生六足機器人的發展現狀與應用[J].設備監理，2022（6）：66-68，87.

[7] 張賽男，邱曉榮.智能家居環境下六足機器人的設計與實現[J].電腦知識與技術，2022，18（9）：86-88.

[8] 黃俊軍，葛世榮，曹為.多足步行機器人研究狀況及展望[J].機床與液壓，2008（5）：187-191.