多功能仿生機(jī)械章魚設(shè)計

徐莉

摘要：多足機(jī)器人對樓梯的攀登能力相對較弱，而在我國大部分地區(qū)的建筑均為樓房，雖然有的高樓建筑存在電梯，但是大部分建筑只有普通臺階。由于樓房臺階對機(jī)器人的機(jī)動性的要求越來越高，而傳統(tǒng)的輪式和履帶式的機(jī)器人對地形的適應(yīng)能力有限，人們尋求一種更有效的樓房臺階運載工具。八足機(jī)器人，可以自行在野地行走，爬坡，越障，奔跑，外界干擾后保持平衡，安全完整的運送物件。這不但在理論、設(shè)計、制造等諸多方面是革命性創(chuàng)新，而且對未來戰(zhàn)爭的模式將會帶來變革性的影響。為了實現(xiàn)樓梯攀巖能力，研究出適用于臺階運送的仿生、智能的多足運載機(jī)器人勢在必行。

Abstract： The ability of multi-legged robots to climb stairs is relatively weak， and most of the buildings in China are storied buildings. Although there are elevators in some high-rise buildings， most buildings only have ordinary stairs. As building steps have higher and higher requirements for the mobility of robots， and traditional wheeled and crawler robots have limited adaptability to terrain， people are looking for a more effective building step carrier. The eight-legged robot can walk in the wild， climb hills， cross obstacles， and run on its own. After external interference， it can maintain its balance and transport objects safely and completely. This is not only a revolutionary innovation in many aspects such as theory， design and manufacturing， but also has a transformative impact on the pattern of future warfare. In order to achieve the stair climbing ability， it is imperative to develop a bionic and intelligent multi-legged carrier robot suitable for step transportation.

關(guān)鍵詞：送快遞;八足機(jī)器人;爬樓梯;結(jié)構(gòu)設(shè)計;步態(tài)分析

Key words： express delivery;eight-legged robot;stair climbing;structural design;gait analysis

中圖分類號：TP242 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）24-0172-02

0 ?引言

隨著機(jī)構(gòu)學(xué)、控制論、仿生學(xué)、人工智能、計算機(jī)科學(xué)以及信息與感知技術(shù)的深入研究，仿生機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展越來越成熟，目前一個國家高科技水平和工業(yè)自動化程度的重要標(biāo)志就是仿生機(jī)器人技術(shù)的水平，目前這種水平也變成了科學(xué)研究的熱點，并且伴隨著人們對未知環(huán)境的探索不斷增加，多足機(jī)器人技術(shù)也相對來說越來越成熟，發(fā)展的也比較快。在崎嶇不平的路面步行機(jī)器人與輪式、履帶式移動機(jī)器人相比具有獨特優(yōu)越性能，在這種環(huán)境下多足步行機(jī)器人的研究蓬勃發(fā)展起來。而仿生步行機(jī)器人的出現(xiàn)更加顯示出步行機(jī)器人的優(yōu)勢。

1 ?國內(nèi)外多足機(jī)器人研究現(xiàn)狀

國外現(xiàn)狀：美國，日本和德國一直是科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展名單的前列。多足仿生機(jī)器是研究學(xué)者在國內(nèi)外的研究熱點。仿生機(jī)器人研究的是外部形狀和在自然界中活生物體的某些功能。經(jīng)過三四十年的研究，世界各國已研制出多種多足仿生機(jī)器人，并應(yīng)用到各種領(lǐng)域。

國內(nèi)現(xiàn)狀：哈爾濱工程大學(xué)于2001年開始兩棲仿生機(jī)器人的研究，先后研制出多種樣機(jī)。2012年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人技術(shù)與國家重點實驗室以竹節(jié)蟲為仿生原型，研發(fā)出六足機(jī)器人HITCR-II;浙江大學(xué)于2009年研發(fā)出六足步行機(jī)器人。

2 ?主要研究內(nèi)容

2.1 多功能仿生機(jī)械章魚研究任務(wù)

現(xiàn)在我們對機(jī)器人主要研究的任務(wù)包括以下幾點：

①對八足爬行機(jī)器人的動力研究;

②對八足爬行機(jī)器人的行走步態(tài)研究;

③八足爬行機(jī)器人的結(jié)構(gòu)研究。

2.2 多功能仿生機(jī)械章魚的總體設(shè)計

2.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

我們采用了關(guān)節(jié)式設(shè)計，因為這種多關(guān)節(jié)的機(jī)器人活動的距離比較大，并且活動很自如，所以現(xiàn)在的多足機(jī)器人都運用這種形式。而且這種關(guān)節(jié)式的機(jī)器人不管在什么情況下運動的范圍都是很大的，而且基本上是沒有死點這個說法。

2.2.2 舵機(jī)的選擇

我們初步設(shè)定機(jī)器人移動速度為10°/s，經(jīng)過對轉(zhuǎn)矩的計算，選擇了如圖1的DS3115型號的舵機(jī)。

2.2.3 八足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計

機(jī)器人身體長度482mm，寬度471mm，機(jī)器人站立時的高度168mm。機(jī)器人每條腿都有三個自由度，前兩個自由度都是和Z軸垂直的，最后一個自由度是跟Z軸平行的，這三個自由度每一個都是由一個舵機(jī)單獨的來驅(qū)動。為了保證機(jī)器人的穩(wěn)定能力，八個足端呈橢圓形分布。

2.2.4 自由度計算

每條腿有三個關(guān)節(jié)組成，分別是基節(jié)、股節(jié)、脛節(jié)，分別初步設(shè)定長度為45mm、112mm、135mm，根據(jù)公式F=3n-2P1-Ph=3×3-2×3-0=3得出每個機(jī)械腿由三個自由度組成連接腿部關(guān)節(jié)。

根據(jù)初始狀態(tài)時機(jī)器人腿的伸開最大長度和機(jī)體的重心高度的要求。機(jī)器人腿伸開最大長度量由公式計算可得：

Lmax=285mm

Smax=376mm

2.2.5 強(qiáng)度校核

①基節(jié)連接件的設(shè)計與校核。

基節(jié)連接件起著機(jī)械腿與身體的連接作用，所以連接件就需要有一定的強(qiáng)度，現(xiàn)連接件厚度初步定為1mm，保證所設(shè)計厚度強(qiáng)度能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，所以要校核連接件的截面。通過計算基節(jié)連接板的厚度選1mm合適。

②支撐板的設(shè)計與校核。

電機(jī)支撐板主要是連接著舵機(jī)通過舵機(jī)讓機(jī)械腿和機(jī)器人的身體連接到一起，因為這個板有一個彎曲的形狀，所以彎曲的那個截面，很容易斷，故他一定要有一定強(qiáng)度，我們把支撐板的厚度設(shè)定1mm，我們避免支撐板被折壞，所以我們要把這塊板子進(jìn)行校核。我們根據(jù)計算得出板子體積是5628mm3。鋁合金材料的密度為7.93kg/cm3，可算得電機(jī)支撐件的質(zhì)量為0.045kg，厚度選1mm。第二個關(guān)節(jié)重0.031kg，厚度為1.5mm，三個關(guān)節(jié)強(qiáng)度計算其重量為0.069kg，厚度為2mm。

3 ?控制系統(tǒng)設(shè)計

控制采用STM32單片機(jī)編程來操控各個舵機(jī)使機(jī)器足進(jìn)行移動STM32單片機(jī)是有32系統(tǒng)，在單片機(jī)理他已經(jīng)是相當(dāng)高端的了，并且核心板子只需要最小系統(tǒng)就可以承載很多的復(fù)雜程序，現(xiàn)在的機(jī)器人包括一些智能機(jī)器人都用STM32單片機(jī)當(dāng)作核心控制板，在市場內(nèi)應(yīng)用STM32單片機(jī)當(dāng)控制板的有很多，不局限于機(jī)器人的領(lǐng)域，與STM32單片機(jī)能夠搭配的軟件和工具特別多，使該系列芯片成為眾多產(chǎn)品的理想選擇，不管是小終端還是一份大型的平臺。所以STM32單片機(jī)完全適用機(jī)器人控制的核心板。

4 ?結(jié)語

八足快遞機(jī)器人，是特別適合送快遞的，比如現(xiàn)在有很多的老樓是沒有電梯的，機(jī)器人需要爬樓梯進(jìn)行送快遞，像輪式等一些機(jī)器人是沒有辦法完成這些動作的，八足爬行機(jī)器人就可以完全客服這項困難，只要我們設(shè)計好足夠長的機(jī)械腿，并把程序編好就可以，這樣機(jī)器人通過某種步態(tài)的配合，就可以完成爬樓梯的設(shè)計。

本次此設(shè)計機(jī)器人最大的困難就是機(jī)器人零件的制作，因為很多關(guān)節(jié)需要強(qiáng)度的，不能全部用3D打印制作，只能中間的關(guān)節(jié)進(jìn)行3D打印制作，而機(jī)器人身體和機(jī)器人的最后一個關(guān)節(jié)，我們采用鋁合金材料，找某商家進(jìn)行激光切割制作，剩下的有一些零件是有折彎的，需要在網(wǎng)上定做。

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