基于電磁驅(qū)動的爬行機器人設(shè)計

韓忠華

摘要：介紹了一種基于電磁驅(qū)動結(jié)構(gòu)的爬行機器人的研究與設(shè)計，系統(tǒng)的研究了其結(jié)構(gòu)形式和驅(qū)動方式，詳細的討論了其行走原理。研究證明該爬行機器人具有結(jié)構(gòu)簡單、易于控制、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：電磁驅(qū)動；爬行機器人；運動分析

引言

爬行機器人是機器人領(lǐng)域重要的發(fā)展分支。近年來，國內(nèi)外學者對尺蠖、蛇、蚯蚓等生物在復雜環(huán)境下有效運動機制展開了大量研究，根據(jù)其運動原理設(shè)計出尺蠖式、蛇形、蠕動式等多種類型仿生爬行機器人。除了傳統(tǒng)的剛性結(jié)構(gòu)，自由度更高、適應性更強的軟體柔性結(jié)構(gòu)也不斷被嘗試應用，并取得了良好的效果。

爬行機器人的驅(qū)動方式較多，如常規(guī)的電機驅(qū)動、記憶合金驅(qū)動（SMA）、氣動、電活性聚合物驅(qū)動和化學驅(qū)動等。借助以上驅(qū)動方式，仿生爬行機器人可以完成蜿蜒或伸縮等基本動作，實現(xiàn)本身的行走。

值得指出的是，對仿生類爬行機器人的研究緊密結(jié)合了其實際應用需求。如：針對狹小、粗糙、陡峭、崎嶇的復雜環(huán)境下（如災難廢墟內(nèi)）探尋、搜救等應用，研發(fā)了穩(wěn)定性好、橫截面小、自由度高的蛇形機器人[1]；針對工業(yè)管道的監(jiān)測、檢修等應用，研發(fā)了簡單緊湊、運行平穩(wěn)、可靠性高的尺蠖式機器人[2]；而在醫(yī)療領(lǐng)域，適合柔軟、彎曲環(huán)境下的運動蠕動式機器人得到了良好的應用與發(fā)展[3]。

本文針對狹小的平面使用環(huán)境，設(shè)計了一種基于電磁驅(qū)動的爬行機器人，結(jié)構(gòu)簡單，控制簡便，橫截面積小，行走效率高，適合在縫隙中穿行。

1.結(jié)構(gòu)組成與驅(qū)動原理

1.1結(jié)構(gòu)組成

爬行機器人是一個具有應用價值的行走平臺，整體設(shè)計應滿足擴展功能和運動功能的需求，所以其總體設(shè)計應兼顧擴展應用接口和運動平臺[4]。

該爬行機器人由頭部、中間部和尾部三部分構(gòu)成，典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。頭部、中間部和尾部三個單元內(nèi)都并列安裝兩個電磁模塊，相互配合、協(xié)調(diào)動作進行驅(qū)動。頭部、尾部單元結(jié)構(gòu)類似，分別位于機器人的兩端，其中頭部搭載應用模塊（如攝像頭）和控制電路，尾部搭載電池為機器人提供能源。中間部由一至多個可拆裝的驅(qū)動單元組成。每個單元都設(shè)計有與爬行表面接觸的足部，提供爬行所需的摩擦力。所有單元之間采用軟彈簧式柔性連接，可完成任意角度的轉(zhuǎn)彎動作。

1.2 驅(qū)動方式

爬行機器人常用的驅(qū)動方式有電機驅(qū)動、氣動、SMA驅(qū)動三種。電機驅(qū)動利用各種電機產(chǎn)生的力或轉(zhuǎn)矩，經(jīng)過傳動機構(gòu)直接驅(qū)動負載，獲得要求的機器人運動，運動精度高、響應快、易于控制，是應用最普遍的驅(qū)動方式[5]，但也存在機械結(jié)構(gòu)過于復雜、成本高、維護難度大等缺點；氣動方式則通過對機器人柔性腔體充放氣，致使其發(fā)生發(fā)雜的變形運動，具有反應速度快、功率密度高等優(yōu)點，但需要外置高壓氣源，難以去除拖尾和實現(xiàn)小型化；SMA驅(qū)動是利用形狀記憶合金的特性，通過控制SMA彈簧上電流的通斷來實現(xiàn)伸縮變形，功率密度高、驅(qū)動力大，但其響應速度慢、效率低，并且易于老化[6]。

基于現(xiàn)有研究，本文提出一種基于電磁鐵磁力的驅(qū)動方式，其驅(qū)動器是機器人本體每個單元都并排安裝的、總體串聯(lián)分布的電磁模塊。電磁模塊采用常規(guī)的鐵芯漆包線結(jié)構(gòu)，上電后周圍會產(chǎn)生有極性的磁場分布。將一組兩個電磁鐵串聯(lián)在一起，通過改變上電電流方向，可以使電磁模塊極性呈現(xiàn)NS-NS或NS-SN形式排列，相互間產(chǎn)生電磁引力或斥力來實現(xiàn)吸合或分離的動作，完成爬行所需的伸縮運動。

2.運動步態(tài)分析

將該爬行機器人的頭部、中間部和尾部三個單元分別編號為1、2、3，未上電時，由于三個單元質(zhì)量及與地面接觸面積的差別，可設(shè)定此時三個單元與地面的最大靜摩擦力fmax1=fmax3>fmax2。各個單元之間的柔性彈簧僅起連接作用，在運動過程中產(chǎn)生的變形反彈力可設(shè)定為忽略不計。

2.1 直線行走

系統(tǒng)上電時，機器人三個單元吸合在一起，定義為初始狀態(tài)。直線行走時，可以將每個單元中并排的兩個電磁模塊極性同步變化。從圖2不難看出，其運動機理可分為以下三步：

（1）改變單元1電磁模塊電流方向使其磁極反向，此時單元1受單元2、3的電磁斥力F1，同時單元2、3受反向電磁斥力F23= F1。當fmax2+ fmax3> F1> fmax1時，單元1開始向前運動，單元2、3仍吸合在一起保持靜止。此步驟完成后，機器人實現(xiàn)狀態(tài)1；

（2）改變單元2電磁模塊電流方向使其磁極反向，此時單元2受單元1的電磁引力F2和單元3的電磁斥力F2”，即其所受合力F2= F2+ F2”；同時單元1受反向電磁引力F1= F2，單元3受反向電磁斥力F3= F2”。當F2> fmax2、F1< fmax1、F3< fmax3時，單元2開始向前運動與單元1吸合，單元1、3保持靜止。此步驟完成后，機器人實現(xiàn)狀態(tài)2；

（3）改變單元3電磁模塊電流方向使其磁極反向，此時單元3受單元1、2的電磁引力F3，同時單元1、2受反向電磁引力F12= F3。當fmax1+ fmax2> F3> fmax3時，單元3開始向前運動，單元1、2仍吸合在一起保持靜止。此步驟完成后，單元1、2、3吸合到一起實現(xiàn)狀態(tài)3，即回到初始狀態(tài)。此時，機器人完成一個運動周期，向前行走一個步距l(xiāng)。

2.2 轉(zhuǎn)彎運動

給兩列電磁鐵模塊分別編號為A、B，當每個單元的兩個電磁模塊電磁極性方向和大小分別按一定規(guī)律變化時，機器人可以完成轉(zhuǎn)彎運動。如圖3，設(shè)定讓電磁模塊產(chǎn)生前N后S極性的電流方向為正，則在右圖中電磁模塊電流的變化規(guī)律下，機器人可以分步驟對應實現(xiàn)左圖所示狀態(tài)，完成一個角度為θ轉(zhuǎn)彎的運動周期。

轉(zhuǎn)彎角度θ與單元運動時所受力和力矩的大小和方向相關(guān)，而作用力和力矩都是通過磁鐵模塊產(chǎn)生的磁場相互施加給對方的。實際上，根據(jù)場分布的特性，在本文討論的先并列后串聯(lián)的電磁模塊分布驅(qū)動方案中，只需一方的磁場分布不均勻即可產(chǎn)生偏離直線的運動。所以，除了圖3所示的電流變化規(guī)律外，電流方向不變、大小變化也可完成角度較小的轉(zhuǎn)彎運動。這就意味著如果在驅(qū)動端采用PWM方式控制輸入的電壓和電流，可以使機器人獲得較高精度的行走軌跡，大大提高了其操控性和實用性。

3.延伸研究

如何提高運動能力（包括速度、精度、靈活性）和對環(huán)境的適應能力，一直是爬行機器人研究的關(guān)注熱點，其關(guān)鍵技術(shù)包含機器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計、驅(qū)動方式和控制算法三個方面。電磁驅(qū)動是一種結(jié)構(gòu)極其簡單、操控方便、低價高效的驅(qū)動方式，易于小型微型化后驅(qū)動一些特種機器人。本文所提出的機器人結(jié)構(gòu)僅是一種可行性驗證方案，如果經(jīng)設(shè)計后搭載相應的結(jié)構(gòu)平臺（如多節(jié)蛇形結(jié)構(gòu)），也可驅(qū)動蜿蜒、3D等運動方式，完成越障、攀爬甚至跳躍等復雜動作，所以后續(xù)研究將圍繞其應用平臺的拓展而展開。

4.結(jié)論

提出了一種基于電磁驅(qū)動的爬行機器人設(shè)計方案，機械結(jié)構(gòu)簡單，可實現(xiàn)小型化和微型化，適合在狹小縫隙中穿行使用。與常規(guī)的驅(qū)動方式比，電磁驅(qū)動具有結(jié)構(gòu)簡單，控制簡便，成本低、效率高等特點，可廣泛應用于多種類型的爬行機器人平臺。

參考文獻：

[1]李斌.蛇形機器人的研究及在災難救援中的應用[J].機器人技術(shù)與應用，2003，（3）：22-26.

[2]宋巖，陳小安，等.新型尺蠖式爬行機器人的設(shè)計及樣機研制[J]. 機械設(shè)計與制造. 2008，（1）：179-181

[3]簡小剛，王葉鋒，等. 基于蚯蚓蠕動機理的仿生機器人研究進展[J].中國工程機械學報. 2012，10（3）：359-363.

[4]李鑫勇，王彪，等. 電磁驅(qū)動結(jié)構(gòu)的球形機器人研究[J]. 機械設(shè)計與制造. 2010，（5）：169-70.

[5]宋巖.一種尺蠖式爬行機器人的研究[D].重慶：重慶大學，2007.

[6]曹玉君，尚建忠，等. 軟體機器人研究現(xiàn)狀綜述[J]. 機械工程學報， 2012，48（3）：25-33.