一種獨輪車式球形六足機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

于楠 王文晴 黃芮 王禹心 李博遠

摘? 要：以Arduino UNO R3開發(fā)板為主控制板，研究一種獨輪車式滾動的球形六足機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制平臺。以球形形狀為基礎(chǔ)，結(jié)合獨輪車滾動運動與六足機器人的結(jié)構(gòu)和運動特點，設(shè)計球形六足機器人模型，同時適應(yīng)多種復雜地形的變化。通過搭載樣機對機器人的六足行走和自主滾動進行了實驗研究，結(jié)果證明了機器人具有一定的承載、越障以及自主滾動且不發(fā)生傾覆的能力，具有穩(wěn)定性強、靈活度高等優(yōu)點，能夠應(yīng)用在多種復雜地形，例如山地、沙漠等。

關(guān)鍵詞：機器人;球形;六足;滾動;獨輪車式

中圖分類號：TH128;TP24? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）18-0157-05

Abstract：Using Arduino UNO R3 development board as main control board，the project studies control platform and wheelbarrow-like rolling spherical hexapod robot structure design. Based on spherical shape and combined structures with movements of hexapod and wheelbarrow-like rolling，designing spherical hexapod robot model adapting to complex terrains. The six legged walking and autonomous rolling of the robot are studied by carrying a prototype. The results show that the robot has the ability of carrying，crossing obstacles and rolling autonomously without overturning. It has the advantages of strong stability and high flexibility，and can be applied to various complex terrain，such as mountains and deserts.

Keywords：robot;spherical;hexapod;rolling;wheelbarrow-like

0? 引? 言

生活中常常有科考隊、探險隊進入沙漠地區(qū)，考察沙漠中生活的動植物、沙漠生態(tài)環(huán)境等等。在惡劣的環(huán)境中，需要尋找水源，拍攝沙漠動植物，探測周圍環(huán)境的安全程度，這對人類是一大挑戰(zhàn)。如果能用機器人代替一部分工作，將很大程度上降低這類工作的難度。目前可在沙漠中工作的機器人仍以六足機器人、履帶機器人以及輪式機器人為主，在靈活度和速度上具有較大的進步空間。

六足機器人又稱蜘蛛機器人[1]，是仿生機器人的一種。六足機器人的靈活性較高，相較于輪式和履帶式機器人，在越障、爬坡等方面具有較為優(yōu)秀的特性，特別適用于復雜環(huán)境，例如外太空探索、野外探測等;[2]但同時其也有運動效率較低的劣勢。

球形機器人是指一類驅(qū)動系統(tǒng)位于球殼內(nèi)部，通過內(nèi)驅(qū)動方式實現(xiàn)球體運動的機器人[3]，其具有良好的動態(tài)和靜態(tài)平衡性，目前是機器人領(lǐng)域的熱點，所以其結(jié)構(gòu)和控制策略產(chǎn)生了多種不同設(shè)計[4-6]。目前大多球形機器人的運動主要通過質(zhì)心偏移和動量守恒定律來實現(xiàn)運動，例如，芬蘭赫爾辛基科技大學的HALME等研制了小車驅(qū)動的機器人，通過改變機器人質(zhì)心的位置來使其運動;美國特拉華大學的BHATTACHARYA等利用角動量守恒原理設(shè)計了一款球形機器人[7]。盡管應(yīng)用這種原理設(shè)計的球形機器人較多，但這種運動方式不是最佳的，因為它依賴于運動部件，這可能會帶來諸多問題，[8]所以目前尋找新的球形運動方式是一個研究趨勢。球形機器人的應(yīng)用從行星表面探索[9]到玩具工業(yè)[10]各不相同。

本文介紹了一種獨輪車式球形六足機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計，用球式結(jié)構(gòu)彌補六足機器人的不足，其運動狀態(tài)分為兩種：在不平坦地帶，以六足形態(tài)行走;在平坦地面，通過球體豎直方向的赤道面球殼滾動以帶動整個球體前進。本設(shè)計為全國大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽參賽項目成果，研究立足于沙漠環(huán)境，旨在為沙漠探測提供更現(xiàn)代化的手段。

1? 球形六足機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1? 機體結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖1所示，球形六足機器人主要是將球形滾動與足式運動結(jié)合起來，其目的是在不同地形情況下采用不同的運動方式，提高運動效率。球形六足機器人由三部分組成：主軀干、六足運動結(jié)構(gòu)和球形滾動結(jié)構(gòu)。

1.1.1? 六足運動結(jié)構(gòu)設(shè)計

目前六足機器人結(jié)構(gòu)主要有兩類：一種是左右對稱，三條足為一組位于機體一側(cè);另一種是繞機體豎直軸線均勻分布[11]。綜合考慮球形六足機器人的整體結(jié)構(gòu)，足部設(shè)計選擇后者。六足運動結(jié)構(gòu)位于機器人球體的下半球，從機器人結(jié)構(gòu)內(nèi)部剝離后如圖2所示。六條足由上下兩塊形狀相同的板連接，并沿垂直于板的軸線均勻環(huán)繞，每相鄰兩足夾角為60°。其優(yōu)點是可以選擇任意方向為前進方向，機器人反應(yīng)迅速;缺點是運動效率較低，但為了實現(xiàn)球形結(jié)構(gòu)只能做出犧牲。兩塊板主要起到連接作用，所承擔載荷較小。

絕大多數(shù)的六足機器人需要同時控制18個關(guān)節(jié)。[12]本設(shè)計的六足運動由18個舵機控制，分配到機器人的單條足通過3個舵機來控制每3個自由度。通過控制舵機的轉(zhuǎn)角，以及六條足之間的相互配合，完成機器人的展開、前進、后退、轉(zhuǎn)向、收回運動。

在六足運動狀態(tài)時，六足結(jié)構(gòu)需要承擔整個機器人的質(zhì)量以及運動過程中的沖擊，在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面需要特殊設(shè)計，足部結(jié)構(gòu)俯視圖如圖3所示[13]。舵機1與舵機2的轉(zhuǎn)動平面相互垂直，選擇鋁制十字大U型連接件連接;舵機2與舵機3的轉(zhuǎn)動平面重合，只需選擇小U型連接件連接。足部最外側(cè)部件由3個零件組成，包括2個足部板和中間支撐殼。這一部件直接支撐機器人運動、與地面接觸受到摩擦力，必須保證一定的剛度、強度和耐磨性，以免在運動過程中發(fā)生變形甚至斷裂，降低機器人使用壽命，所以兩側(cè)的足部板件選擇亞克力材料，再通過中間的支撐殼進一步提高剛度強度，提高運動穩(wěn)定性。足部板件的圓弧以及中間支撐殼的曲率設(shè)計保證了足部收回到球形機器人內(nèi)部后還可以保證球形形狀的完整。

1.1.2? 球形滾動結(jié)構(gòu)設(shè)計

球形機器人的滾動控制應(yīng)用最多的是電機帶動偏心輪在機器人內(nèi)部轉(zhuǎn)動，改變機器人重心位置實現(xiàn)滾動，該方式應(yīng)用在球形六足機器人中就出現(xiàn)了很多問題。首先機器人增加了六足運動結(jié)構(gòu)使得剩余空間不足。除此之外，添加偏心輪會大大增加機器人的整體質(zhì)量，需要選用負載更大的舵機，舵機體積增大，剩余空間進一步減小。最后六足運動部分的舵機帶來了大量的線路，在偏心輪轉(zhuǎn)動過程中很容易造成線路的斷路與短路。為了平衡球形滾動結(jié)構(gòu)與六足運動結(jié)構(gòu)的關(guān)系，最終選擇了“獨輪車式”滾動控制設(shè)計，優(yōu)點在于裝置質(zhì)量較小，結(jié)構(gòu)簡單，所占空間小[7]。

球形滾動結(jié)構(gòu)如圖4所示，其整體為一組內(nèi)齒輪結(jié)構(gòu)，電機驅(qū)動安裝在頂部支撐板的主動齒輪，主動齒輪與內(nèi)齒輪圈的內(nèi)齒嚙合帶動內(nèi)齒輪圈轉(zhuǎn)動。內(nèi)齒輪圈外圈充當機器人赤道面上的球殼，通過與地面的摩擦帶動整個機器人的轉(zhuǎn)動。其他兩個從動齒輪固定在中間層的支撐板上，同樣與內(nèi)齒輪圈嚙合，消除內(nèi)齒輪圈在豎直平面內(nèi)x方向的自由度。固定在六足部分下板的摩擦輪與主動齒輪共同限制豎直平面內(nèi)z方向的自由度，防止在機器人滾動時球殼的變形導致內(nèi)齒輪圈錯位。本組齒輪屬于開式內(nèi)齒輪嚙合，選用固體潤滑脂減小運動過程中的摩擦。

機器人滾動是通過“獨輪式”實現(xiàn)的，地面所提供的支持面較小，機體很容易發(fā)生側(cè)翻。防止左右側(cè)翻需要嚴格保證機器人質(zhì)量沿大齒輪所在赤道面對稱分布;防止前后側(cè)翻，可考慮不倒翁原理，保證機器人重心位于下半球，通過下半球質(zhì)量較重的六足運動結(jié)構(gòu)可滿足該需求。

1.1.3? 主軀干設(shè)計

球形結(jié)構(gòu)軀體的作用如下：

（1）為滾動運動提供外形球形狀態(tài);

（2）連接六足與滾動兩個運動模塊，同時提供承載作用;

（3）為控制元件提供承載平臺。

主要部件包括外殼球形以及橫于球體內(nèi)部的兩塊支撐板。外殼的球形結(jié)構(gòu)需要滿足滾動時的承載和運動需求，方便安裝、質(zhì)量不能過大。所以在設(shè)計上，給外殼內(nèi)壁添加經(jīng)緯度上的筋，提高剛度和強度，防止運動過程中過度變形或碎裂;將外殼分割成若干零件，方便后續(xù)的安裝;采用樣機成本最低的進3D打印進行加工;同時為了減輕質(zhì)量選擇ABS材料。兩塊支撐板中下支撐板通過3個六角銅柱連接六足運動結(jié)構(gòu)，滾動結(jié)構(gòu)的3個小齒輪分別固定于兩支撐板上，其余空間還為控制元件提供安裝位置;支撐板是用亞克力板進行鏤空處理制作，既滿足負載需求，還預留了安裝口，減輕了質(zhì)量。

1.2? 模式轉(zhuǎn)換

六足部分的展開與收回運動是六足運動狀態(tài)與滾動運動狀態(tài)轉(zhuǎn)換的分界線[14]。六足部分的展開運動使機器人由球形狀態(tài)轉(zhuǎn)換為六足狀態(tài)，通過程序控制相間隔的三條足最外層的舵機轉(zhuǎn)角，使最外側(cè)部件相對于機體展開一定角度，同時控制中間層舵機轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)落地支撐，起到穩(wěn)定作用;再放下另三條足，完成展開任務(wù)。

收回運動使機器人形態(tài)由六足狀態(tài)轉(zhuǎn)換為球形狀態(tài)，與展開不同，收回之前機器人在通過六足行走運動，當停止運動后，每個足所處位置不能滿足直接收回要求，需要先讓六足復位到展開后所處的初始位置，再抬起三條足，收回到球殼內(nèi)，剩余三條足先緩慢的使球殼底部著地，最后收回到球殼內(nèi)。該運動同樣由中間層和最外層舵機配合完成?？紤]到舵機控制精度，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上通過腿部零件內(nèi)側(cè)的特殊內(nèi)凹曲線，與中層支撐板外輪廓契合形成限位，從而保證機器人收回成一個完整球體。同時由于機器人的大部分質(zhì)量集中在下半球，使得其重心較低，在展開與收攏的運動過程中保證了機器人的平穩(wěn)性。機器人展開狀態(tài)與收攏狀態(tài)如圖5所示。

1.3? 建立模型

本設(shè)計利用三維軟件SOLIDWORKS進行實體的造型設(shè)計，對球形六足機器人進行了三維結(jié)構(gòu)設(shè)計并確定各零件尺寸，且確定了安裝的相對位置，通過三維軟件約束命令進行裝配。這樣的設(shè)計方法，方便在后續(xù)的實驗中對模型數(shù)據(jù)進行修改和優(yōu)化。在完成球形六足機器人的裝配后，可以通過改變部件的相對位置，來檢查干涉情況，避免零件干涉;還可獲取六足運動狀態(tài)的角度，為后面的控制提供數(shù)據(jù)支持。目前的部分加工手段和加工廠商都可以實現(xiàn)三維零件圖紙的直接加工，大大提高了加工制造效率。

2? 球形六足機器人控制系統(tǒng)總體設(shè)計

球形六足機器人控制系統(tǒng)構(gòu)成包括：電源模塊、富斯i6遙控器、Arduino UNO R3開發(fā)板、驅(qū)動板模塊、舵機、360°旋轉(zhuǎn)舵機[15，16]。其硬件設(shè)計框架如圖6所示。遙控器發(fā)射機使用三個通道，分別控制運動方向和形狀，接收機采用PPM協(xié)議，由Arduino主控板將PPM信號解碼為通道量，進行機器人控制。驅(qū)動板包括繼電器驅(qū)動電路和舵機驅(qū)動電路，繼電器驅(qū)動電路由數(shù)字脈沖控制生成序列驅(qū)動信號，對電機驅(qū)動電路進行間隔供電，以避免供電電流過高導致驅(qū)動板過熱。機器人控制部分通過下部18路舵機和上部1個可360°旋轉(zhuǎn)的舵機實現(xiàn)其正常運動，下部舵機分6組，機器人的每條足裝有3組舵機，通過定時器產(chǎn)生PWM信號，驅(qū)動舵機轉(zhuǎn)動不同的角度，實現(xiàn)機器人每個關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動，進而實現(xiàn)機器人的六足行走。通過主控板上的電機驅(qū)動模塊，控制上部可360°旋轉(zhuǎn)的舵機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，采用不同的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向配合，實現(xiàn)機器人的滾動。

3? 實驗驗證及初步成果

為了驗證結(jié)構(gòu)設(shè)計的可行性，制作了一臺樣機進行測試并取得了一些初步成果。樣機根據(jù)所建三維模型進行1：1搭建，外殼用橫縱加筋的ABS材料;六足部分的足部用亞克力材料，舵機間的連接件和上部舵機支承件選用鋁合金，承重的板和外圈用尼龍材料，既減重減震又有一定的強度和形狀穩(wěn)定性，并在外圈貼橡膠以防滑;與大齒輪嚙合的三個小齒輪中，直接從舵機輸出動力的小齒輪選用四個玻纖板拼接，保證其承載強度;其他兩個從動小齒輪用與外圈相同的尼龍材質(zhì)，底部的小滾輪用橡膠材質(zhì)。樣機球殼最大直徑300 mm，總重3.5 kg，其中六足部分重約1.68 kg。滾動部分小齒輪齒數(shù)z=17，模數(shù)m=3，厚度20 mm，齒輪傳動比5：1。當六足全部支撐地面時，球殼外圈距離地面25.5 mm高。圖7為除去球型結(jié)構(gòu)軀體的樣機內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

本實驗為階段性驗證，首先單獨測試了六足部分的承重與越障行走情況。如圖8所示，單獨的六足部分行走除自身重量外，承受外載荷的臨界值為重約1.5 kg的重量，足夠支承整個球殼行走。如圖9所示，六足部分成功跨越厚度約為30 mm的一個筆記本，具有一定的越障能力。

在六足與滾動部分裝配結(jié)合后進行了滾動部分的試驗，為隨時檢查設(shè)備的工作狀況，實驗時沒有將外殼完全裝配，但不影響試驗效果。通過試驗可以看出滾動部分工作正常，球體內(nèi)部結(jié)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)形式及運動方式的設(shè)計會隨著外圈的滾動相對其做不倒翁式的搖擺運動，圖10（a）為內(nèi)部結(jié)構(gòu)超前于外圈而相對前傾的臨界狀態(tài)，圖10（b）為內(nèi)部結(jié)構(gòu)落后于外圈而相對后仰的臨界狀態(tài)。但由于重心始終在下，機器人不會翻倒。

通過實驗結(jié)果測算，可以得到樣機信息如表1所示，可以看出，機器人六足運動速度慢于滾動速度，將六足與滾動相結(jié)合可以很好地提升機器人的運動效率。

4? 結(jié)? 論

本文提出了一種獨輪車式的球形六足機器人，該機器人具有將自主滾動和六足行走結(jié)合的創(chuàng)新點。采用SOLIDWORKS三維軟件進行建模，設(shè)計了機器人的六足結(jié)構(gòu)、六足步態(tài)、滾動裝置、主軀體以及控制系統(tǒng)。利用Arduino編程，設(shè)置腿部的初始角度，根據(jù)六足步態(tài)設(shè)置轉(zhuǎn)動角度和次序，根據(jù)所需的滾動速度設(shè)置滾動裝置電機的轉(zhuǎn)速。最后對機器人的六足行走和自主滾動進行了實驗研究，結(jié)果證明了機器人的六足部分具有一定的承載能力、越障能力以及自主滾動且不發(fā)生傾覆的能力。

球形六足機器人的自主滾動和六足行走的兩種運動方式相結(jié)合使機器人具有穩(wěn)定性強、靈活度高等優(yōu)點，能夠應(yīng)用在多種復雜地形，例如山地、沙漠等。

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作者簡介：于楠（1999-），女，漢族，黑龍江哈爾濱人，本科，研究方向：航空宇航制造工程。