八足蜘蛛機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

蔣欣哲

（河南應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州　450042）

八足蜘蛛機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

蔣欣哲

（河南應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州450042）

在自然界中，蜘蛛因其獨(dú)特的爬行機(jī)理可以在垂直的墻壁甚至倒立在天花板上行走。文章闡述了一個(gè)運(yùn)用仿生學(xué)原理設(shè)計(jì)的八足蜘蛛機(jī)器人，最終的蜘蛛機(jī)器人可模仿現(xiàn)實(shí)當(dāng)中蜘蛛的爬行方式在平地進(jìn)行爬行運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎等動(dòng)作，為進(jìn)一步研究多足步行機(jī)器人提供了參考。

蜘蛛；爬行機(jī)理；仿生學(xué)；機(jī)器人

人類研究發(fā)現(xiàn)在崎嶇不平的路面上，與輪式、履帶式移動(dòng)機(jī)器人相比，多足步行機(jī)器人具有獨(dú)特的優(yōu)越性。多足步行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡是一系列離散的足印，其運(yùn)動(dòng)時(shí)，只需要離散的點(diǎn)接觸地面，對(duì)環(huán)境的破壞程度也較小，可在能到達(dá)的地面上選擇最優(yōu)的支撐點(diǎn)，對(duì)崎嶇地形的適應(yīng)性強(qiáng)。當(dāng)然，多足步行機(jī)器人也存在一些不足之處。比如，多足步行機(jī)器人為使腿部能協(xié)調(diào)穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)，其從機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到控制系統(tǒng)算法都比較復(fù)雜。

1　機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1整體結(jié)構(gòu)確定

八足蜘蛛機(jī)器人模仿蜘蛛爬行機(jī)理，在整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采取8足結(jié)構(gòu)，腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采取類似蜘蛛腿部生理結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，主要模擬的是第二至第六對(duì)附肢共8只步足，每只步足由基節(jié)、腿節(jié)、脛節(jié)、足節(jié)構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)了蜘蛛結(jié)構(gòu)的仿生，仿生蜘蛛機(jī)器人的名稱也由此得來(lái)?？紤]到機(jī)器人的整體的平穩(wěn)性，機(jī)體部分設(shè)計(jì)沒(méi)有采用實(shí)際蜘蛛類似橢圓的身體結(jié)構(gòu)，而采取了矩形結(jié)構(gòu)。

1.2電機(jī)的選擇

電機(jī)的種類有多，有普通直流電機(jī)，減速電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、舵機(jī)和伺服電機(jī)。普通電機(jī)有轉(zhuǎn)速過(guò)快，扭力過(guò)小的特點(diǎn)，一般不直接用在智能小車和機(jī)器人上；步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，不適合多變得路況；伺服電機(jī)能夠很精確的控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)精確的定位，最高精度可以達(dá)0.001mm。通過(guò)比較各種電機(jī)的性能和用途，最終決定選用伺服電機(jī)作為蜘蛛機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

1.3具體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

（1）機(jī)體。機(jī)體整體采用矩形對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為了使足部的運(yùn)動(dòng)有足夠的工作空間，邊緣采用局部鏤空設(shè)計(jì)，為了使整體更加美觀并且減輕整體重量，在機(jī)體上對(duì)稱位置打孔并在中間區(qū)域切除多余材料，使其重量中心盡量集中在圖形的幾何中心上，采用U形連接件與螺栓實(shí)現(xiàn)機(jī)體與足部的連接。

（2）基節(jié)?；?jié)由基節(jié)底板、電機(jī)支撐套、磁鋼固定塊、軸承、軸承支架、軸承、傳動(dòng)軸、基節(jié)連接見(jiàn)、基節(jié)傳動(dòng)件、隔離環(huán)、螺栓、螺母、螺釘、平鍵、基節(jié)連接鍵等21個(gè)零件組成，尺寸關(guān)系是根據(jù)各個(gè)零件的配合確定的，其中隔離環(huán)、螺栓、螺母、螺釘、平鍵均為標(biāo)準(zhǔn)件。它一端固定在車體上，一端通過(guò)齒輪和腿節(jié)產(chǎn)生嚙合。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于轉(zhuǎn)子輸出軸與傳動(dòng)軸連接，傳動(dòng)軸不動(dòng)及電機(jī)轉(zhuǎn)子不動(dòng)，這時(shí)在電機(jī)產(chǎn)生的力矩作用下電機(jī)定子帶動(dòng)基節(jié)外殼通過(guò)軸承外圈產(chǎn)生相對(duì)于傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，及實(shí)現(xiàn)了整個(gè)基節(jié)外殼旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)?；?jié)底板與腿節(jié)傳動(dòng)軸固定連接，基節(jié)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成了腿節(jié)的左右擺動(dòng)（電機(jī)正轉(zhuǎn)向前擺動(dòng)，電機(jī)反轉(zhuǎn)向后擺動(dòng)），從而完成蜘蛛機(jī)器人向前伸腿和向后蹬腿的動(dòng)作。

（3）腿節(jié)。腿節(jié)由從動(dòng)齒輪、主動(dòng)齒輪、腿節(jié)底板，軸承、齒輪座等共有18個(gè)零件組成，其中尺寸關(guān)系是根據(jù)各個(gè)零件的配合關(guān)系確定。腿節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)主動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，在基節(jié)電機(jī)不動(dòng)的情況下及從動(dòng)齒

輪不動(dòng)的情況下，主動(dòng)齒輪（通過(guò)軸承的旋轉(zhuǎn)）會(huì)繞著從動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)腿節(jié)的上下擺動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了腿節(jié)的抬起和放下。

（4）脛節(jié)。脛節(jié)由脛節(jié)底板、電機(jī)固定端、主動(dòng)齒輪、從動(dòng)齒輪、主動(dòng)軸、從動(dòng)軸、齒輪座以及不同的連接器組成，其脛節(jié)和腿節(jié)的連接相同，其傳動(dòng)方式基本與腿節(jié)相同，也是通過(guò)齒輪嚙合實(shí)現(xiàn)其傳動(dòng)。具體來(lái)講，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)主動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，在腿節(jié)電機(jī)不動(dòng)的情況下及從動(dòng)齒輪不動(dòng)的情況下，主動(dòng)齒輪（通過(guò)軸承的旋轉(zhuǎn)）會(huì)繞著從動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)脛節(jié)的上下擺動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了脛節(jié)的抬起和放下。

（5）足節(jié)。足節(jié)由足節(jié)底板、足節(jié)支架、彈簧、緩沖環(huán)、吸盤共同組成，彈簧和緩沖壞構(gòu)成撓性連接體。撓性連接是相對(duì)剛性連接而言的，“剛性連接”中，相對(duì)的連接件之間不得有位移，在大多數(shù)的緊固中都是這樣的連接?！皳闲赃B接”中，相對(duì)的連接件既有約束或傳遞動(dòng)力的關(guān)系，又可以有一定程度的相對(duì)位移，也具有緩沖減震性能，抗沖擊。

2　運(yùn)動(dòng)機(jī)理分析

蜘蛛機(jī)器人有八條腿，一個(gè)蜘蛛腿整體由三個(gè)電機(jī)控制，機(jī)器人整體由3×8=24個(gè)電機(jī)協(xié)同控制。八條腿在電機(jī)控制下，按照雙四組步態(tài)協(xié)作運(yùn)動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的整體前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，由于在行走時(shí)總有4條腿撐著地面，這樣的話，它可以在不同的路面特別是崎嶇不平的路面保持自己良好地平衡，充分體現(xiàn)了蜘蛛爬行的優(yōu)勢(shì)。

3　控制設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)選用ATmega16單片機(jī)作為主控制芯片，電源模塊為單片機(jī)提供5V直流電源，把控制程序下載到ATmega16控制芯片中，接通電源，控制芯片為繼電器提供方波信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)蜘蛛機(jī)器人的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等動(dòng)作。

4　結(jié)語(yǔ)

文章從機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)機(jī)理、控制設(shè)計(jì)等三個(gè)方面完整闡述了八足蜘蛛機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程。最終設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的八足蜘蛛機(jī)器人可模仿現(xiàn)實(shí)當(dāng)中蜘蛛的爬行方式，在平地進(jìn)行爬行運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎等動(dòng)作，為進(jìn)一步研究多足仿生機(jī)器人提供了參考。

［1］蔡自興.機(jī)器人學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)和發(fā)展戰(zhàn)略［J］.機(jī)器人技術(shù)，2001，（4）.

［2］馬香峰.機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991.

［3］刁彥飛，王艷飛.生蜘蛛爬行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)探索［J］.應(yīng)用科，2004，（3）.

［4］宗光華，張慧慧.機(jī)器人設(shè)計(jì)與控制［M］.北京：科學(xué)出版社，2004.

Design and realization of eight-feet spider robot

JIANG Xin-zhe
（Henan Vocational College of Applied Technology，Zhengzhou，Henan 450042，China）

In nature，because of its unique crawling mechanism，the spider can even crawl on vertical walls.The paper expounds the eight legged spider robot which uses the principle of bionics，the ultimate spider robot can imitate crawling of real spider，realizing motions of forward，backward，turning，and other movements，which provides reference for further research on multi-legged walking robot.

spider；crawling mechanism；bionics；robot

TP242

A

2095-980X（2016）04-0053-01

2016-03-26

蔣欣哲（1989-），男，河南鄭州人，大學(xué)本科，助理實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向：機(jī)電一體化應(yīng)用技術(shù)。