基于仿生原理的六足機(jī)器人研制

摘 要：六足機(jī)器人是一種仿生機(jī)器人，受到自然界昆蟲的啟發(fā)，具有良好的適應(yīng)性和靈活性。該機(jī)器人設(shè)計(jì)采用六條腿進(jìn)行移動(dòng)，能夠在各種復(fù)雜地形中行進(jìn)，并具備穩(wěn)定性和攜帶裝備功能。通過仿生原理，結(jié)合機(jī)器人技術(shù)和生物學(xué)知識，通過持續(xù)研制和實(shí)驗(yàn)，拓展其在探索危險(xiǎn)環(huán)境、災(zāi)害救援和科學(xué)研究等領(lǐng)域的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：仿生原理;六足機(jī)器人;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);功能測試;舵機(jī)運(yùn)動(dòng)控制

中圖分類號：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）30-0032-04

Abstract： Hexapod robot is a kind of bionic robot inspired by insects in nature and has good adaptability and flexibility. The robot is designed to move on six legs， can travel in a variety of complex terrains， and has stability and the ability to carry equipment. Through biomimetic principles， in combination with robotic technology and biological knowledge， and through continuous development and experiments， expand its application in fields such as exploring dangerous environments， disaster rescue and scientific research.

Keywords： biomimetic principle; hexapod robot; structural design; functional testing; steering gear motion control

為了推動(dòng)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人類社會(huì)的進(jìn)步，人們不斷探索和研究那些無法到達(dá)且可能危及生命的特殊環(huán)境，尋求解決問題的方法。六足機(jī)器人開發(fā)項(xiàng)目旨在利用先進(jìn)技術(shù)仿生原理，創(chuàng)造一種可以進(jìn)入危險(xiǎn)環(huán)境、開拓未知領(lǐng)域的機(jī)器人，從而推動(dòng)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展并服務(wù)于人類社會(huì)的需求[1]。目前陸地作業(yè)中常用的移動(dòng)機(jī)器人主要有3種類型：履帶式、輪式和足式機(jī)器人。它們各有特點(diǎn)，比如輪式機(jī)器人可以在較為平坦的地形上行駛，運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定移動(dòng)簡單，但動(dòng)力不足無法跨越障礙，不適用于艱難崎嶇的路面;多足機(jī)器人狀態(tài)不穩(wěn)定，行走時(shí)易發(fā)生傾倒，采用靜態(tài)步態(tài)行走時(shí)速度緩慢;履帶式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)噪音較大，運(yùn)行速度較低，轉(zhuǎn)向較為費(fèi)勁[2]。

六足機(jī)器人具有良好的適應(yīng)性和機(jī)動(dòng)性，可以在各種復(fù)雜地形上行走，如崎嶇的山地、不規(guī)則的表面或其他不平坦的地形，它們的六只腿使得它們能夠平穩(wěn)地通過障礙物，跨越狹窄的縫隙或穿越不同高度的地形，可以爬過倒塌的建筑物、破碎的地面或其他障礙物，搜尋幸存者，提供緊急救援。同時(shí)，六足機(jī)器人在未知或惡劣的環(huán)境中也具有較強(qiáng)的探索能力，例如，在外太空、深?；蚱渌麩o法輕易到達(dá)的地方，六足機(jī)器人可以克服重力、水壓等困難，探索并搜集數(shù)據(jù)。

我國六足機(jī)器人的起步比國外更晚，但也仍取得了一些成就。西南科技大學(xué)在2016年成功研發(fā)了一款體型龐大的，可以承載500 kg重物的重載液壓驅(qū)動(dòng)六足機(jī)器人。機(jī)器人腿部配有3個(gè)液壓油缸，利用液壓泵對其進(jìn)行精準(zhǔn)控制，讓他們彼此配合，共同作用，使六足機(jī)器人的腿部關(guān)節(jié)能夠靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的行走功能。通過液壓泵對腿部3個(gè)油缸的精準(zhǔn)控制，實(shí)現(xiàn)3個(gè)關(guān)節(jié)的靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使機(jī)器人能夠完成行走動(dòng)作[3]。太原理工大學(xué)研究的步履式六足機(jī)器人，有2種運(yùn)行情況，一種是在平整路面上，主要依賴足部的履帶來進(jìn)行高效移動(dòng);另一種是在遇到障礙物或者崎嶇路面上，該機(jī)器人可以切換至多足爬行模式進(jìn)行越障。這款六足機(jī)器人不僅運(yùn)動(dòng)速度快功能性強(qiáng)，而且整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，其中在采用履帶模式行進(jìn)時(shí)，六足機(jī)器人速度可達(dá)0.7 m/s[4]，具有很高的實(shí)用價(jià)值。到2021年，西南石油大學(xué)研制出了一款水陸兩棲六足機(jī)器人，與常規(guī)的結(jié)構(gòu)不同，該機(jī)器人的機(jī)身是半球形的設(shè)計(jì)，可以封閉它的控制電路，保證在水中工作的安全性和穩(wěn)定性。另外機(jī)器人的腿部采用了足式復(fù)合的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，這種設(shè)計(jì)使得機(jī)器人在水下環(huán)境中能夠靈活移動(dòng)。而在各個(gè)關(guān)節(jié)處，特別配備了能夠噴水的電機(jī)。這樣，在水下環(huán)境中，只需簡單調(diào)整這些噴水電機(jī)的轉(zhuǎn)速，就可以實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的精確控制，使得機(jī)器人能夠輕松自如地運(yùn)動(dòng)。其六足位置以中心對稱的方式均勻分布在機(jī)身上，使得機(jī)器人能夠在陸地和水域中自由穿梭[5]。

1 六足機(jī)器人原理樣機(jī)設(shè)計(jì)

六足機(jī)器人與四足機(jī)器人有著不同的優(yōu)勢和特點(diǎn)。六足機(jī)器人依靠多足的特點(diǎn)，在行走時(shí)能保持較好的穩(wěn)定性，避免傾倒的情況發(fā)生，并且通過合理的步態(tài)設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)靜態(tài)步態(tài)行走，從而提高行進(jìn)效率和負(fù)重能力。相比之下，傳統(tǒng)的四足機(jī)器人在實(shí)現(xiàn)靜態(tài)步態(tài)時(shí)需要單獨(dú)邁出每一條腿，速度相對較慢。相較于更多足的機(jī)器人而言，六足機(jī)器人結(jié)構(gòu)更加簡單，因此在維護(hù)方面會(huì)更加方便快捷，適應(yīng)能力更強(qiáng)，這使六足機(jī)器人在某些特定的應(yīng)用場景中具備了明顯的競爭力。

1.1 仿生原理

通過模仿蜘蛛的外觀和運(yùn)動(dòng)節(jié)律，借鑒昆蟲和節(jié)肢動(dòng)物的多足結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出能夠通過合作運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)高效的移動(dòng)和穩(wěn)定的姿態(tài)控制的六足機(jī)器人。它可以利用多條腿來支撐和平衡機(jī)體，保持穩(wěn)定的姿態(tài)，通過合理地分配腿部運(yùn)動(dòng)和支撐，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在各種地形和環(huán)境中的穩(wěn)定移動(dòng);根據(jù)生物運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，優(yōu)化六足機(jī)器人的步態(tài)設(shè)計(jì)，使其能夠高效地行走和轉(zhuǎn)向[6]。通過模擬昆蟲的步態(tài)、腳部運(yùn)動(dòng)規(guī)律等，提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)效率和適應(yīng)性;借鑒生物的感知系統(tǒng)和神經(jīng)控制機(jī)制，為六足機(jī)器人設(shè)計(jì)高效的傳感器系統(tǒng)和智能控制算法[7];通過感知環(huán)境信息并實(shí)時(shí)調(diào)整步態(tài)和姿態(tài)，使機(jī)器人能夠智能應(yīng)對復(fù)雜的環(huán)境和任務(wù)需求。

同時(shí)在設(shè)計(jì)過程中要考慮機(jī)器人的靈活性、韌性和適應(yīng)性，以應(yīng)對各種挑戰(zhàn)和變化。

1.2 六足機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

六足機(jī)器人的機(jī)身采用獨(dú)特的八邊形設(shè)計(jì)，其中部較長而兩側(cè)較窄，并在中部向里收斂，巧妙地?cái)U(kuò)大了腿部活動(dòng)范圍，為機(jī)器人提供了更廣闊的運(yùn)動(dòng)空間。腿部的設(shè)計(jì)靈感來源于蜘蛛的腿部結(jié)構(gòu)，六足在機(jī)身兩側(cè)呈對稱分布，這樣的布局不僅優(yōu)化了空間使用，還極大增強(qiáng)了機(jī)體的穩(wěn)定性。在每條腿都配有3個(gè)舵機(jī)，即3個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié)，并通過轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，這意味著每條腿都擁有3個(gè)自由度，確保了腿部運(yùn)動(dòng)的靈活性和穩(wěn)定性。通過這種設(shè)計(jì)，我們實(shí)現(xiàn)了腿部活動(dòng)范圍的最大化，即便在有限的空間內(nèi)，機(jī)器人也能展現(xiàn)出出色的運(yùn)動(dòng)能力[8]。根據(jù)以上，我們通過建模軟件建立零件圖，并裝配出六足機(jī)器人，如圖1所示。

腳部支架讓六足機(jī)器人受力均勻，每條腿上都有一、二、三號舵機(jī)和連接件，一共18個(gè)舵機(jī)單元可獨(dú)立控制，也可分別配合，使六足機(jī)器人更加靈活，能夠完成更多的動(dòng)作指令，上下兩個(gè)支撐板可放置主控制板、電池和傳感器，增強(qiáng)了實(shí)用性。同時(shí)，為了更好地觀看分析機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，便于后續(xù)組裝，我們又做了其爆炸圖及動(dòng)畫，如圖2所示。

2 硬件部分

六足機(jī)器人的硬件部分總體框架如圖3所示，主要包括Arduino主控板、外部的舵機(jī)模塊、電源模塊和傳感器模塊，紅外和藍(lán)牙傳輸模塊。以Arduino主控板作為六足機(jī)器人的核心控制器，主控板集PWM舵機(jī)控制、總線設(shè)備控制（總線舵機(jī)、總線電機(jī)、總線MP3等）和眾多控制方式（USB、串口、手柄和紅外等）為一體，擁有豐富的外部接口，運(yùn)算高效同時(shí)還可以保持較低的能耗，滿足六足機(jī)器人所需的控制要求。

2.1 傳感器模塊

為了實(shí)時(shí)采集六足機(jī)器人工作時(shí)周圍的環(huán)境信息，并能有效進(jìn)行反饋控制，我們設(shè)計(jì)了相關(guān)傳感器模塊，見表1。

2.2 舵機(jī)運(yùn)動(dòng)控制

舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)可以用PWM（pulse width modulation）來實(shí)現(xiàn)。通過調(diào)整PWM波的占空比控制舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，六足機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)多種工作模式。270°角度的正反轉(zhuǎn)、360°的定時(shí)連續(xù)旋轉(zhuǎn)、360°的定圈連續(xù)旋轉(zhuǎn)等模式可切換[9]，通過單總線通訊，波特率115 200，每個(gè)舵機(jī)之間通過總線串聯(lián)。每條腿的關(guān)節(jié)處均裝備了舵機(jī)，負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。這6個(gè)舵機(jī)固定于特定位置，協(xié)同工作以推動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退和行走等動(dòng)作，完成操作員設(shè)定的相關(guān)任務(wù)。其中，每條腿與軀干連接的地方均設(shè)有2個(gè)舵機(jī)，分別負(fù)責(zé)控制足的轉(zhuǎn)動(dòng)以及足的抬起與放下。此外，還有一個(gè)舵機(jī)用于連接支撐部分，實(shí)現(xiàn)下半部分足的升降。整個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)由18個(gè)舵機(jī)組成，每條腿配備3個(gè)，確保機(jī)器人能夠順暢地執(zhí)行各項(xiàng)功能[10]。

3 功能測試

通過不同終端使六足機(jī)器人擁有更多功能，如使用紅外遙控控制器，實(shí)現(xiàn)蜘蛛復(fù)位、蜷縮、切換功能、低姿快速、防御、低姿左轉(zhuǎn)、低姿右轉(zhuǎn)、低姿后退、左右移動(dòng)、手勢移動(dòng)、自由避障和定距跟隨等功能;使用手柄控制，實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向、姿態(tài)轉(zhuǎn)換和防御等簡單動(dòng)作;建立基本MP3模塊，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)條件下語音和音樂功能等。

3.1 zide軟件、mixly軟件與傳感器選擇

本項(xiàng)目六足機(jī)器人的一切運(yùn)動(dòng)，都離不開zide軟件動(dòng)作的開發(fā)、mixly編程與傳感器的適當(dāng)安裝。

在zide軟件中，首先，為了區(qū)分不同的舵機(jī)身份，設(shè)置可辨別同時(shí)有合理規(guī)律的ID。接下來，設(shè)置各個(gè)舵機(jī)PWM值，控制每個(gè)舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角度，形成一個(gè)靜止形態(tài)，由多個(gè)靜止形態(tài)合并組成一個(gè)動(dòng)作組，并設(shè)置TIME值使各個(gè)靜止?fàn)顟B(tài)之間在設(shè)定好的時(shí)間內(nèi)完成轉(zhuǎn)換，以此實(shí)現(xiàn)我們想要的動(dòng)作。這為六足機(jī)器人所有行動(dòng)與智能功能打下基礎(chǔ)。通過一個(gè)藍(lán)牙模塊與手柄連接，并在zide軟件上對手柄的每個(gè)按鍵與具體行動(dòng)聯(lián)系配置，從而基本實(shí)現(xiàn)了手柄的各項(xiàng)功能。

在以上工作基礎(chǔ)上，使用mixly編程，先將紅外遙控器的按鍵與功能對應(yīng)，通過代碼使相應(yīng)的傳感器在收到按鍵信號后開始工作，傳感器通過具體情況產(chǎn)生信號傳給Z-LINK模塊，該模塊收到傳感器信號后按照編程要求的行為控制主板實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，以此實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能[11]。編好代碼后將所編寫程序下載到連接六足蜘蛛機(jī)器人主板的Z-LINK模板，將各所需傳感器安裝到Z-LINK模塊對應(yīng)接口，以此實(shí)現(xiàn)紅外遙控的功能，如圖4所示。以上功能實(shí)現(xiàn)的傳導(dǎo)路徑，也是我們著手實(shí)現(xiàn)蜘蛛智能化運(yùn)動(dòng)的實(shí)踐思路，可進(jìn)一步概括為“紅外控制器-ZLINK-傳感器-ZLINK-主板-舵機(jī)-具體運(yùn)動(dòng)”。

3.2 MP3功能模塊的實(shí)現(xiàn)

本項(xiàng)目六足仿生機(jī)器人所采用的MP3模塊為總線模塊，可使用總線串聯(lián)到控制器中。其中，在喇叭接口接入功率不超過3 W的喇叭（功率過大容易導(dǎo)致發(fā)熱損壞，影響使用時(shí)效）?？偩€接口則用于指令信息的傳輸及模塊的供電，通過單片機(jī)系統(tǒng)對單總線接口S信號口發(fā)送TDX，即可完成對模塊的控制。此外，TF卡插槽也是完成此模塊功能不可或缺的部分，其支持MP3等多種格式的語音文件，為語音模塊功能的實(shí)現(xiàn)提供可能。

3.3 開機(jī)自動(dòng)運(yùn)行測試

設(shè)置開機(jī)動(dòng)作，根據(jù)路徑規(guī)劃和環(huán)境感知結(jié)果，機(jī)器人會(huì)控制六條腿的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向和爬坡等動(dòng)作，動(dòng)作控制精準(zhǔn)度高，確保機(jī)器人按照預(yù)定路徑順利移動(dòng)，可在上位機(jī)軟件中直接設(shè)置，或是通過指令設(shè)置，前者較為簡單但只能設(shè)置一個(gè)動(dòng)作，后者更加靈活，但對操作要求更高，需要扎實(shí)掌握控制指令。我們團(tuán)隊(duì)在綜合考慮與具體多次實(shí)踐中，最終使用了指令設(shè)置開機(jī)動(dòng)作的方法，如圖5所示。

4 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，六足機(jī)器人可以在不穩(wěn)定的表面上行走，并使用各種傳感器來感知和分析周圍環(huán)境;它們的穩(wěn)定性和強(qiáng)大的機(jī)械結(jié)構(gòu)使其能夠攜帶重量較大的物體，可以用于運(yùn)輸和搬運(yùn)重物，并在狹小或擁擠的空間中進(jìn)行精確操控。因此，可以在工業(yè)生產(chǎn)、建筑工地或其他需要大量物品搬運(yùn)的場景中發(fā)揮重要作用。

總的來說，六足機(jī)器人在應(yīng)對復(fù)雜地形、災(zāi)難救援、探索未知環(huán)境和運(yùn)輸搬運(yùn)等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，它的靈活性與強(qiáng)適應(yīng)性可以解決一些傳統(tǒng)機(jī)器人難以克服的困難，應(yīng)用范圍更廣。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，在未來提升六足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)效率和智能控制，增加它的學(xué)習(xí)能力，六足機(jī)器人的應(yīng)用前景將會(huì)更加廣闊。

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基金項(xiàng)目：吉林省高等教育教學(xué)改革研究課題（JLJY202364001414）;2023年國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（202310183111）

第一作者簡介：孫慧超（1981-），男，博士，正高級工程師。研究方向?yàn)橹悄苤圃臁?/p>