蜘蛛機(jī)器人設(shè)計(jì)研究

吳凱 江亞龍 殷建

摘 要：蜘蛛機(jī)器人是針對(duì)在狹小通道和深井的探測(cè)、搜索、救援工作。以真正實(shí)現(xiàn)海陸空搜尋機(jī)器人系統(tǒng)全方位的搜救。作為本文的研究重點(diǎn)是對(duì)蜘蛛機(jī)器人的機(jī)械零部件、行走機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)控制和信息反饋及處理做了詳細(xì)的分析和設(shè)計(jì)，使得蜘蛛機(jī)器人滿足靈活、小巧、經(jīng)濟(jì)的要求。使得蜘蛛機(jī)器人完全異于普通搜救機(jī)器人。為蜘蛛機(jī)器人設(shè)計(jì)了強(qiáng)大的機(jī)械手臂庫(kù)，提高其應(yīng)用范圍使得蜘蛛機(jī)器人不僅能實(shí)現(xiàn)探索，更能替人在無(wú)法到達(dá)的環(huán)境工作。

關(guān)鍵詞：深井搜救；管道探測(cè)；蜘蛛；機(jī)器人

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

在21世紀(jì)的今天，隨著自然災(zāi)害、恐怖活動(dòng)和各種突然事故發(fā)生的越來(lái)越多，在災(zāi)難救援中，救援人員用較短的時(shí)間在廢墟中尋找幸存者的幾率比較小，在這種緊急而危險(xiǎn)的情況下，救援機(jī)器人可以為救援人員提供有效的幫助。因此那些經(jīng)常接觸不到和容易被人忽略的死角，例如通風(fēng)管道，就成為我們重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的對(duì)象。深井搜救和管道探測(cè)在搜救過程中顯得尤為重要。在保證搜救人員的安全前提下，提高搜救效率是當(dāng)今社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。近十年來(lái)，美國(guó)、日本等西方發(fā)達(dá)國(guó)家在地震、火災(zāi)等救援機(jī)器人的研究方面做了大量的工作。日本大阪大學(xué)研制出蛇形機(jī)器人，能在高低不平的模擬廢墟上前進(jìn)，其頂端帶有1部小型監(jiān)視器，身體部位安裝傳感器，可以在地震后的廢墟里尋找幸存者。2006年6月，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的機(jī)器人研究所成功研制了 “CUMT-1”礦井救災(zāi)機(jī)器人，并對(duì)救災(zāi)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)做了一些有益的嘗試。

本文提出了蜘蛛機(jī)器人的概念設(shè)計(jì)，然后著重對(duì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的移動(dòng)方式及強(qiáng)大的機(jī)械手臂庫(kù)做了詳細(xì)的論述。

2 蜘蛛機(jī)器人本體設(shè)計(jì)

通過對(duì)國(guó)內(nèi)外蜘蛛機(jī)器人移動(dòng)方式的比較，蜘蛛機(jī)器人的前進(jìn)方式有連桿機(jī)構(gòu)式、單桿機(jī)構(gòu)式和腹部蠕動(dòng)式，連桿機(jī)構(gòu)和單桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方式類似于劃船時(shí)的船槳運(yùn)動(dòng)，是通過對(duì)壁面向后的摩擦力來(lái)實(shí)現(xiàn)前進(jìn)，但是由于其返程路徑必須和原路徑不一致，因此都需要加入新的機(jī)構(gòu)和連桿機(jī)構(gòu)、單桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行組合，最終形成的機(jī)構(gòu)體積較為龐大，給日后進(jìn)一步開發(fā)、實(shí)現(xiàn)小型化增添了困難。而腹部蠕動(dòng)機(jī)構(gòu)則可以按原路徑進(jìn)行返程運(yùn)動(dòng)，不需要添加新的機(jī)構(gòu)，因此結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，易于小型化。故腹部蠕動(dòng)機(jī)構(gòu)適合于通風(fēng)管道探測(cè)用的機(jī)器人。該蜘蛛機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)分為：腿的伸出機(jī)構(gòu)、主體與底板的差動(dòng)直線運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，如圖1所示結(jié)構(gòu)。

由于同一對(duì)腿實(shí)現(xiàn)同時(shí)伸出，同時(shí)收回，因此從經(jīng)濟(jì)性、體積小的角度出發(fā)，要求其實(shí)現(xiàn)，一個(gè)電機(jī)同時(shí)控制一對(duì)腿的伸出和收回，因此在腿的伸出機(jī)構(gòu)中需要有力的差動(dòng)機(jī)構(gòu)。齒輪齒條機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、對(duì)稱雙連桿機(jī)構(gòu)、絲杠螺母副及滑輪機(jī)構(gòu)等均能實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，但齒輪齒條機(jī)構(gòu)的成本較高，不符合經(jīng)濟(jì)性；連桿機(jī)構(gòu)存在側(cè)向力，容易出現(xiàn)“卡死“現(xiàn)象；連桿對(duì)稱機(jī)構(gòu)雖無(wú)側(cè)向力，但是其中涉及的固定點(diǎn)難以設(shè)置，因此也不適合；絲杠螺母副及滑輪機(jī)構(gòu)，無(wú)側(cè)向力的存在，其價(jià)格適中，傳動(dòng)比大，因此不需要減速機(jī)構(gòu)，而且具有自鎖性，可以實(shí)現(xiàn)腳的保持于某一位置不動(dòng)，且伸出力也較大，把持力大，結(jié)構(gòu)小且簡(jiǎn)單。同時(shí)，上面安裝的是滑輪和橡皮筋（考慮到經(jīng)濟(jì)性，用橡皮筋代替彈簧），價(jià)格便宜，安裝要求和難度較低，故采用該機(jī)構(gòu)。

蜘蛛機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)時(shí)，主板與底板之間是差動(dòng)直線運(yùn)動(dòng)，類似于蠶的蠕動(dòng)過程。其要求運(yùn)動(dòng)要平穩(wěn)，且任意位置可停、可自鎖。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、絲杠螺母副均能實(shí)現(xiàn)差動(dòng)直線運(yùn)動(dòng)，但曲柄滑塊機(jī)構(gòu)累計(jì)誤差大，機(jī)械效率低，且一般做變速運(yùn)動(dòng)，故運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)，且有慣性力，所以不適用于本機(jī)器人的機(jī)構(gòu)。絲杠螺母副價(jià)格適中，傳動(dòng)比大，因此不需要減速機(jī)構(gòu)，而且具有自鎖性。

蜘蛛機(jī)器人通過對(duì)限位開關(guān)、電機(jī)等一系列的元器件的控制，使其能夠正常運(yùn)作，即行走、轉(zhuǎn)向功能的實(shí)現(xiàn)。共需要使用14個(gè)限位開關(guān)。整個(gè)機(jī)器人采用順序控制，即由限位開關(guān)信號(hào)的順序來(lái)控制。通過對(duì)直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和超聲直線電機(jī)的性能比較，機(jī)器人采用直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)。通過對(duì)H橋集成功放電路設(shè)計(jì)和改進(jìn)，即在基本H橋電路里添加旁路電容和續(xù)流二極管來(lái)保護(hù)電路，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制。為實(shí)現(xiàn)初步行走，驗(yàn)證設(shè)計(jì)思路的正確性，在機(jī)械本體做完后，設(shè)計(jì)加工撥動(dòng)開關(guān)電路板，用手協(xié)調(diào)撥動(dòng)開關(guān)，看其是否能夠預(yù)計(jì)運(yùn)動(dòng)路徑，經(jīng)檢驗(yàn)，嚴(yán)格按預(yù)計(jì)要求運(yùn)動(dòng)，故上述設(shè)計(jì)思路正確。

3 蜘蛛機(jī)器人仿生機(jī)械手臂庫(kù)設(shè)計(jì)

為滿足蜘蛛機(jī)器人復(fù)雜工作環(huán)境和特殊工作任務(wù)的需要，不僅需要蜘蛛機(jī)器人以獨(dú)特的移動(dòng)方式以保證能通過，還需要配備能滿足各種作業(yè)需求的手臂。更進(jìn)一步提高蜘蛛機(jī)器人的實(shí)用性，也足以能應(yīng)對(duì)任務(wù)執(zhí)行中遇到的各種問題。

機(jī)械臂（圖2）由3個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、2個(gè)手臂構(gòu)成，前臂于機(jī)械手相連。其中，關(guān)節(jié)一繞運(yùn)動(dòng)平臺(tái)垂直方向旋轉(zhuǎn)，即在垂直與X-Y面旋轉(zhuǎn)，從而使得機(jī)械手臂能夠在水平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)；關(guān)節(jié)二、三分別代表肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)，能夠保證機(jī)械臂在垂直面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，即Y-Z面內(nèi)。三個(gè)關(guān)節(jié)自由度分布及三維仿真模型。

機(jī)械手臂庫(kù)的設(shè)計(jì)：

為滿足蜘蛛機(jī)器人復(fù)雜工作環(huán)境和特殊工作任務(wù)的需要，不僅需要給蜘蛛機(jī)器人配備以上兩種機(jī)械手臂，還需要配備能滿足各種作業(yè)需求的手臂。更進(jìn)一步提高蜘蛛機(jī)器人的實(shí)用性，也足以能應(yīng)對(duì)任務(wù)執(zhí)行中遇到的各種問題。如圖3所示為各種不同場(chǎng)合所需機(jī)械手臂庫(kù)。

由于機(jī)器人使用于管道、廢墟等復(fù)雜環(huán)境，因此需要配有視覺系統(tǒng)來(lái)控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)以及搜救。通過設(shè)計(jì)配制攝像頭及遠(yuǎn)程控制方式，來(lái)控制昆蟲機(jī)器人的視覺判斷。機(jī)器人所攜帶的視覺系統(tǒng)可以對(duì)所處環(huán)境有一定的識(shí)別，而身處其外的工作人員需要對(duì)管道情況進(jìn)行監(jiān)控，必須要通過昆蟲機(jī)器人所攜帶的視覺系統(tǒng)傳回圖像，再對(duì)所收回的圖像進(jìn)行分析并作出決策，傳給機(jī)器人，使其執(zhí)行搜救的決策。

結(jié)語(yǔ)

這款蜘蛛機(jī)器人具有以下三大特點(diǎn)：

一是真正的仿生機(jī)器人，其動(dòng)作及外形都是根據(jù)蜘蛛外形設(shè)計(jì)研究而成。

二是采用攀爬式運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，能成功的越過更多障礙，并且能在狹小空間里實(shí)現(xiàn)三維動(dòng)作，提高機(jī)器人的工總性能和工作用途。

三是具有強(qiáng)大的機(jī)械手臂，既能用于管道探測(cè)，也能用于救援、偵察、排爆等集眾多功能與一身的強(qiáng)大機(jī)器人。

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作者簡(jiǎn)介：吳凱，男，1992年，本科，銅陵學(xué)院，指導(dǎo)教師：殷建。