關于選用六足機器人作為救援系統(tǒng)子體的研究

成鵬 劉鑫 李研 林仁達 蔣世法 任季星

摘 要：自然災害對人類社會所造成了巨大的傷害。將機器人應用于救援系統(tǒng)可以實現(xiàn)很多人們無法完成的搜救任務使得救援的效率大大提升。六足機器人具有運動靈活、地形適應能力強的特點，被廣泛應用于對自主性、靈活性有較高要求的非結構化環(huán)境作業(yè)中，通過模擬多足生物的運動方式，并對其運動方式進行改進。找到適合于機器人的運動方式和控制方法，實現(xiàn)機器人關節(jié)的多軸轉動最終實現(xiàn)機器人的穩(wěn)定移動。

關鍵詞：六足機器人;救災;控制系統(tǒng)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.16.142

1 設計背景

自然災害對人類社會所造成的危害往往是觸目驚心的，將機器人應用于救援系統(tǒng)可以實現(xiàn)很多人們無法進行的搜救任務。提高了搜救范圍和效率。該設備也可用于人們不易探索的領域如被核輻射破壞過的環(huán)境。

2 國內外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)

2.1 國內現(xiàn)狀

與發(fā)達國家相比，國內機器人研究雖起步較晚，但發(fā)展日趨迅速，也取得了豐碩的成果。如2013年由上海交通大學研發(fā)的具有完全自主知識產權的“六爪章魚”救援機器人[1]?！傲φ卖~”具備深入極端復雜危險環(huán)境的能力，可在核輻射、水下和火災等極端環(huán)境下完成搬運、搜索、探測和救援作業(yè)等多種任務。

2016年，一臺由荷福人工智能集團聯(lián)合上海交通大學共同研發(fā)的六足并聯(lián)步行機器人在上海浦東公布。如（圖1）所示。

2017年Vincross 人工智能科技公司研發(fā)的全球首款可編程全地形消費級機器人，名為——HEXA。如（圖2）所示。

2018年上海交通大學研制了一款災后救援六足機器人：這款機器人主要用于野外環(huán)境探測與作業(yè)?？梢源婢仍藛T攜帶檢測設備進入發(fā)生事故的地點，探測災后環(huán)境，搬運救災物資等。如（圖3）所示。

2.2 國外現(xiàn)狀

2014年12月份，德國比勒費爾德大學研究人員打造出了一只形似巨型昆蟲的地形探測機器人Hector，它擁有六條可以獨立移動的支撐腿，因此適用于在各種地形上執(zhí)行研究活動。如（圖4）所示。

2016年，德國航空航天中心研發(fā)了一款六足爬行機器人，它利用視覺進行導航，擁有較高的機器人的自主能力。如（圖5）所示。

2018年，韓國科學家發(fā)明的巨型六足機器人Crabster。這只巨型機械不僅能在水下游泳還能在陸地和水下爬行還能依靠相對靈活的四足到達其他水下機器人很難到達的偏僻地帶。如（圖6）所示。

2019年法國科學家開發(fā)出一種能像螞蟻那樣導航的六足機器人，這個機器人被稱為AntBot，由CNRS研究所和艾克斯-馬賽大學的研究人員共同開發(fā)。如（圖7）所示。

3 移動機器人的設計與制造

考慮到救災現(xiàn)場或者探索場地為結構體環(huán)境，需要單體的機器人具有運動效率高、運動靈活、地形適應能力強等特點。經過查閱相關的資料和研究，我們發(fā)現(xiàn)六足機器人被廣泛應用于全地形機器人的設計，當采用每條腿三關節(jié)的設計時其結構能充分滿足復雜環(huán)境的需要。基于以上條件，我們最終設計了如下圖所示的六足機器人結構。

4 機器人機身材料的選取

在選擇機器人結構設計材料時，結合技術要求和成本等多方面考慮我們放棄了利用3D打印技術來加工機器人結構的想法。轉而選擇采用亞克力激光切割的方式來加工所需要的機械構件。亞克力是經過特殊處理的有機玻璃，具有耐磨及耐酸堿性能好、壽命長、加工性能良好等諸多特點[2]。利用激光切割可以快速得到所需工件。

按照所設計的六足機器人結構如（圖8）所示，我們需要18路舵機分別控制六條腿的18個關節(jié)。機器人采用三角步態(tài)進行向各個方向的移動，即一側的前后兩條腿和另一側的中間腿組成一組，分為左右兩組交替想所需方向移動?？刂品绞轿覀儾捎玫氖峭ㄟ^開源的Arduino開發(fā)板進行設計[3]?？刂频囊粋€周期可以分為左右兩個部分，兩部分的程序結構相同分為三步如（圖9）所示。第一步：A-2、C-2、E-2旋轉抬起腿部。第二步：A-1、C-1、E-1向前進的方向旋轉一定的角度稱為前旋，D-1、B-1、F-1向前進的反方向旋轉一定回復角度稱為后旋。第三步：第一步：A-2、C-2、E-2旋轉放下腿部。左右部分交替完成就可以實現(xiàn)機器人的移動。

5 總結

在有了六足機器人的子體之后，我們可以為多個機器人添加傳感器并加入Zigbee的通信系統(tǒng)，通過外部計算機的輔助使得各個機器人所獲得的信息能夠共享，實現(xiàn)多機器人系統(tǒng)的構建。

參考文獻：

[1]李滿宏，張明路，張建華，張小俊.六足機器人關鍵技術綜述[J].河北工業(yè)大學，2015（10）：2.

[2]葉德軍.機械加工中激光切割工藝的應用分析[J].民營科技，2018（07）：3.

[3]王康南，王利霞.基于arduino平臺的六足仿生機器人控制系統(tǒng)的設計[J].鄭州輕工業(yè)學院，2018（01）：58

基金項目：省級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目“關于選用六足機器人作為救援系統(tǒng)子體的研究”（編號：201811927047）。

*為通訊作者