六足機器人設(shè)計研究

陳文棋 羅吳欣 杜翰墨 劉波

摘要：隨著人類探索自然界步伐的不斷加速，各應(yīng)用領(lǐng)域?qū)哂袕?fù)雜環(huán)境自主移動能力機器人的需求，日趨廣泛而深入。理論上，足式機器人具有比輪式機器人更加卓越的應(yīng)對復(fù)雜地形的能力，因而被給予了巨大的關(guān)注，但到目前為止，由于自適應(yīng)步行控制算法匱乏等原因，足式移動方式在許多實際應(yīng)用中還無法付諸實踐。另一方面，作為地球上最成功的運動生物，多足昆蟲則以其復(fù)雜精妙的肢體結(jié)構(gòu)和簡易靈巧的運動控制策略，輕易地穿越了各種復(fù)雜的自然地形，甚至能在光滑的表面上倒立行走。因此，將多足昆蟲的行為學(xué)研究成果，融入到步行機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計與控制中，開發(fā)具有單越移動能力的仿生機器人，對于足式移動機器人技術(shù)的研究與應(yīng)用具有重要的理論和現(xiàn)實意義。本作品將通過與傳統(tǒng)的六足機器人不一樣的運動結(jié)構(gòu)為切入點，為六足機器人的應(yīng)用提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：六足機器人;運動結(jié)構(gòu);仿生

引言

多足行走機器人，具有運動穩(wěn)定好，適應(yīng)性強，控制方便的優(yōu)點。它可以較易地跨過比較大的陴礙（如溝、坎等），并且機器人足所具有的大量的自由度可以使機器人的運動更加靈活，對凹凸不平的地形的適應(yīng)能力更強;足式機器人的立足點是離散的，跟地面的接觸面積較小，因而可以在可達到的地面上選擇最優(yōu)支撐點，即使在表面極度不規(guī)則的情況下，通過嚴(yán)格選擇足的支撐點，也能夠行走自如。所以在未來的科技發(fā)展以及生活中六足機器人的實用性和功能性愈發(fā)強。

1設(shè)計原理

本小組設(shè)計的六足機器人，為一個平臺上面安裝一個電池盒。平臺下方安裝一個電機和齒輪組構(gòu)成的傳動裝置。電機軸兩端連著兩個曲柄搖臂機構(gòu)，曲柄搖臂機構(gòu)與機械足相連接。外加一些發(fā)射器、接收器、天線等元件，如圖1所示。

本產(chǎn)品采用了多桿機構(gòu)，一個四桿機構(gòu)維持主運動，還有三杠機構(gòu)（不包括機架）作為輔助運動使運動在一定范圍內(nèi)。這樣能有效規(guī)避運動死點。兩者通過一個電機來運動。外加接收板和發(fā)射器，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。同時通過控制電機正反轉(zhuǎn)，改變運動方向。

2六足機器人的應(yīng)用方向

隨著人類探索自然界步伐的不斷加速，各應(yīng)用領(lǐng)域?qū)哂袕?fù)雜環(huán)境自主移動能力機器人的需求，日趨廣泛而深入。作為地球上被運用最成功的生物，多足昆蟲以其復(fù)雜精妙的肢體結(jié)構(gòu)和簡易靈巧的運動控制方略，能夠輕易地穿越各種復(fù)雜的自然地形，甚至能在光滑的表面上倒立行走。用于在人類不宜、不便或不能進入的地域進行探測。因此多足機器人有廣闊的應(yīng)用前景，如軍事偵察、礦山開采、核能工業(yè)、星球探測、消防及營救、建筑業(yè)等領(lǐng)域。與輪式機器人相比，多足機器人比較容易實現(xiàn)穩(wěn)定行走。在多足機器人中模仿昆蟲以及其他節(jié)肢動物們的肢體結(jié)構(gòu)和運動控制策略而創(chuàng)造出的六足機器人是極具代表性的一種。六足機器人與兩足和四足步行機器人相比，具有控制結(jié)構(gòu)相對簡單、行走平穩(wěn)、肢體冗余等特點，這些特點使六足機器人更能勝任野外偵查、水下搜尋以及太空探測等對獨立性、可靠性要求比較高的工作。

3產(chǎn)品功能特點和主要新穎處

3.1功能特點：

該產(chǎn)品的功能特點包括三方面，第一方面是結(jié)構(gòu)簡單，操作方便另外經(jīng)過一定的改裝能實現(xiàn)運載和勘察。第二方面是所用電機數(shù)量較少，從成本和資源節(jié)約角度來看符合綠色比較環(huán)保。第三方面是控制起來很方便。通過外接發(fā)射器與接收器，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。還可以通過控制電機的正反轉(zhuǎn)改變機器人運動路徑。

3.2主要新穎處：

1、利用結(jié)構(gòu)相對簡單的多桿機構(gòu)原理實現(xiàn)運動。

2、機構(gòu)利用機構(gòu)原動件等于機構(gòu)自由度就有確定運動這一特點實現(xiàn)運動

3、結(jié)合仿生學(xué)知識，通過多桿機構(gòu)機構(gòu)實現(xiàn)不同腳之間的同步運動。

4、可以通過控制電機正反轉(zhuǎn)來改變機器人的運動路徑。

本作品有與傳統(tǒng)的六足機器人不一樣的運動結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的六足機器人盡管運動比較全面。但其使用的電機較多，在有些方面是對資源的一種浪費。本作品可以當(dāng)作救援機器人搭載一定的物資，也可當(dāng)作考古機器人。若對電機給與一定的防水保護也可進行水下勘察。成本相對于傳統(tǒng)六足機器人來說較低，結(jié)構(gòu)簡單。通過控制電機的轉(zhuǎn)向來實現(xiàn)不同方向的運動。也可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

4設(shè)計工藝和安裝分析

4.1設(shè)計工藝

首先，對整體的自由度進行計算。整個機構(gòu)要想有確定的運動，必須滿足機構(gòu)原動件數(shù)等于自由度。根據(jù)自由度需求，合理設(shè)計杠的數(shù)量和位置。平臺的設(shè)計根據(jù)需求可以自行設(shè)計大小尺寸。機械足的設(shè)計需要考慮桿的長短對行走效果的影響這是設(shè)計的一個難點。此外，各杠件之間的配合也是一個難點。配合不恰當(dāng)可能會導(dǎo)致運動死點的出現(xiàn)。可以通過加墊片（本產(chǎn)品主要使用的是螺帽）使各杠處于平行平面內(nèi)。加工工藝方面，主要使用的是激光切割（本產(chǎn)品為切割亞克力板）。通過已建立好的三維模型，首先轉(zhuǎn)換成dwg格式的CAD對其進行一定的圓角處理。然后，另存為DXF格式導(dǎo)入進RDWorksV8切割軟件中，調(diào)參數(shù)就可以進行加工了。

4.2安裝分析

安裝時應(yīng)該盡量使兩邊的曲柄搖臂，機械足對稱安裝。這樣才能夠使運動同步。輔助運動杠部分位置也要調(diào)試合理，不然可能會影響主運動。

4.3自由度計算

已知7根桿，其中有個三桿的復(fù)合鉸鏈，其轉(zhuǎn)動副數(shù)為（3-1）個。7個活動桿件就是有3*7個自由度。除復(fù)合鉸鏈外，還有10個轉(zhuǎn)動副。沒有高副。由自由度公式：F=3n-2Pl-Ph，經(jīng)計算自由度為1。（F為機構(gòu)自由度，n為平面構(gòu)件的數(shù)目，Pl為低副的數(shù)目，Ph為高副的數(shù)目。）

5結(jié)束語

六足機器人在野外偵查、水下搜尋以及太空探測等方面具有廣泛的運用范圍。仿生技術(shù)正朝著高精、高效、模塊、組合、通用、經(jīng)濟方向研究，而六足機器人作為仿生機器人的一種，正以不可逆之勢進入各個領(lǐng)域，為人類服務(wù)，方便人們的生活。

參考文獻

[1]孫桓，機械原理第八版，高等教育出版社。

[2]陳國定，機械設(shè)計第十版，高等教育出版社。

[3]張春林，仿生機械學(xué)，機械工業(yè)出版社。

注：本課題來自沈陽城市建設(shè)學(xué)院2021年校級大學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)計項目。指導(dǎo)教師為于聯(lián)周。