何 悅，周 鵬，楊曉帥，解 鑫

（西南科技大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，綿陽 621010）

0 引言

機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展是一個(gè)國(guó)家高科技水平和工業(yè)自動(dòng)化程度的重要標(biāo)志和體現(xiàn)[1]。多足機(jī)器人作為仿生機(jī)器人的典型代表，具有豐富的步態(tài)和冗余的肢體結(jié)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)靈活，可靠性高。自20世紀(jì)80年代起，國(guó)外卡內(nèi)基梅隆大學(xué)在1986年研制出具有簡(jiǎn)單腿結(jié)構(gòu)的液壓驅(qū)動(dòng)四足機(jī)器人[2]，但是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，也十分笨重。2007年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的王倩等設(shè)計(jì)了一款新型六足機(jī)器人。該機(jī)器人采用舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，四連桿傳動(dòng)提高穩(wěn)定性[3]。2011年，唐晶晶[4]等設(shè)計(jì)出了六足減災(zāi)救援仿生機(jī)器人的虛擬樣機(jī)，將虛擬樣機(jī)技術(shù)引入到仿生多足機(jī)器人的研制中，對(duì)仿生多足機(jī)器人的研制提供了新思路。經(jīng)過不斷地發(fā)展，仿生多足機(jī)器人一方面趨于高負(fù)載，高穩(wěn)定性，高環(huán)境適應(yīng)性方向發(fā)展，另一方面也正朝著微型化，智能化方向不斷推陳出新，正在不斷影響到生活的方方面面。

為了能讓機(jī)器人更好適應(yīng)多樣化的工作環(huán)境和完成更為復(fù)雜的任務(wù)，本文以蜘蛛為仿生對(duì)象，設(shè)計(jì)了一款結(jié)構(gòu)微型化，可在狹小的環(huán)境空間中進(jìn)行作業(yè)的多足仿生機(jī)器人。

1 仿生八足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

蜘蛛頭胸部呈十邊形，八條足分居兩側(cè)，擁有互不干擾的運(yùn)動(dòng)空間，對(duì)蜘蛛的行動(dòng)十分有利?；诖朔律?，仿生多足機(jī)器人的軀體也采用十邊形結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)對(duì)于仿生機(jī)器人而言具有三方面優(yōu)勢(shì)，一是機(jī)器人腿的根關(guān)節(jié)與軀體可垂直連接，向外拓展，運(yùn)動(dòng)空間增大；二是機(jī)器人腿部可對(duì)稱分布與軀體兩側(cè)，增加了機(jī)體的穩(wěn)定性，三是增大了機(jī)器人腿部的運(yùn)動(dòng)空間可減少機(jī)器人的腿部碰撞。

圖1 機(jī)器人整體原理圖

根據(jù)自然界中蜘蛛的結(jié)構(gòu)特征以及驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)方式的考慮，確定了基于仿生學(xué)原理的仿生多足機(jī)器人由軀體和八條腿兩部分組成，采用正相對(duì)稱分布，如圖2所示。軀體通過舵機(jī)與腿部的根關(guān)節(jié)連接，軀體由兩塊正十邊形板材上下疊放而成，兩板材之間的間隙用于安裝舵機(jī)和控制電路，頂部板材上可搭載其他傳感器或負(fù)載。

1.2 機(jī)器人的腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

仿生多足機(jī)器人的腿部結(jié)構(gòu)是從蜘蛛的足的結(jié)構(gòu)中簡(jiǎn)化、優(yōu)化產(chǎn)生的，由于其髖關(guān)節(jié)極短且在實(shí)際運(yùn)動(dòng)中活動(dòng)范圍有限故此在仿生過程中將其簡(jiǎn)化股節(jié)上，而足在活動(dòng)中主要起到抓地作用且已經(jīng)失去自由活動(dòng)能力所以在設(shè)計(jì)中將其忽略。簡(jiǎn)化后的腿部仿生原理圖如圖3所示。

圖2 機(jī)器人模型

圖3 腿部仿生原理圖

由于平行四邊形曲柄連桿機(jī)構(gòu)和滑塊連桿機(jī)構(gòu)和絲桿連桿機(jī)構(gòu)，回差小，剛性好，可保持特殊位形[18]。連桿機(jī)構(gòu)對(duì)于仿生機(jī)器人這種短距離的動(dòng)力傳動(dòng)具備很大的優(yōu)勢(shì)。因此選用連桿機(jī)構(gòu)作為機(jī)器人關(guān)節(jié)的傳動(dòng)方式。機(jī)器人腿部如圖4所示，舵機(jī)采用交叉裝配，如圖5所示。

圖4 機(jī)器人腿部模型

圖5 舵機(jī)裝配方式

2 八足機(jī)器人的越障分析與仿真

2.1 仿真理論分析

仿生多足機(jī)器人的腿按圖6所示分為兩組（L1、R1、L3、R3；L2、R2、L4、R4），兩組交替完成機(jī)器人的支撐和提供前進(jìn)的驅(qū)動(dòng)。

在本部分內(nèi)容中，結(jié)合模型的復(fù)雜程度和精度要求主要采用SolidWorks中的motion分析作為基本分析工具。仿真過程流程圖7所示。

圖6 機(jī)器人腿部分組

圖7 仿真過程流程

為了使機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)效率足夠高，對(duì)于根關(guān)節(jié)舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)幅度應(yīng)取最大值，對(duì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析可知，為了使機(jī)器人相鄰足互不干擾、產(chǎn)生干涉，每條腿的最大轉(zhuǎn)動(dòng)幅度為45°，即根關(guān)節(jié)舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)幅度取±22.5°。

此時(shí)仿生多足機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)如下：

2.2 仿真過程

基于仿生多足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特性分析可知，仿真多足機(jī)器人通過障礙物的方式主要有繞行、跨越同過、爬行通過三種。針對(duì)不同的障礙物采用不同的運(yùn)動(dòng)方式，對(duì)于障礙物周圍存在平整環(huán)境時(shí)，可通過控制機(jī)器人的轉(zhuǎn)向和行進(jìn)，繞過障礙物；對(duì)于不可繞行的障礙物又可分為兩種，第一，障礙物寬度低于仿生多足機(jī)器人運(yùn)行一個(gè)周期的前進(jìn)量，高度低于仿生多足機(jī)器人的跨度時(shí)，仿生多足機(jī)器人可以采用跨越通行的運(yùn)動(dòng)方式；第二，障礙物寬度高度低，機(jī)器人不發(fā)生傾翻，此時(shí)可以采用爬行通過直接通過障礙物。繞行方式結(jié)果與平整地面行走類似，此處不再累述。

2.2.1 跨越通行方式越障仿真

仿生多足機(jī)器人的越障能力主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：

1）仿生多足機(jī)器人能越過機(jī)器人的最大高度；

2）仿生多足機(jī)器人能越過障礙的最大寬度。

為了解決這兩個(gè)問題，首先對(duì)直線行走中膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)幅度為±45°的情況進(jìn)行分析，列出R1腿足尖到坐標(biāo)原點(diǎn)的線性位移如圖8所示；根據(jù)圖8可知，仿生多足機(jī)器人運(yùn)行一個(gè)周期，R1腿的z分量運(yùn)動(dòng)范圍是5mm～-79mm，由于坐標(biāo)系原點(diǎn)與軀體底部重合，故為了防止仿生多足機(jī)器人軀體底部與障礙物接觸，障礙物的最大高度不得超過79mm，由圖8可知足從0～79mm的過程中，足尖的x分量變化量約為60mm，取一定誤差空間，取能跨越的障礙物寬度為50mm。

圖8 R1腿足尖到坐標(biāo)原點(diǎn)的線性位移

下面通過仿真來驗(yàn)證仿生多足機(jī)器人能否通過79mm高，50mm寬的長(zhǎng)方體障礙。具體過程如下：

打開膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)幅度為±45°根關(guān)節(jié)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)幅度為±22.5°的裝配體文件，編輯零部件“地面”，切換零部件配置為“最高障礙”，返回裝配體；

各關(guān)節(jié)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)如下：

L1、L3、R2、R4腿根關(guān)節(jié)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)為式(1)；

L2、L4、R1、R3腿根關(guān)節(jié)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)為式(2)；

L1、L3、R1、R3腿膝關(guān)節(jié)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)為式(3)；

L2、L4、R2、R4腿膝關(guān)節(jié)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)為式(4)。

仿真結(jié)算完成后結(jié)果如圖9所示。

圖9 機(jī)器人質(zhì)量中心位移圖（越障）

2.2.2 爬行通過方式避障仿真

圖10 越障過程

圖11 障礙物為40.5mm的運(yùn)動(dòng)過程

仿生多足機(jī)器人要能夠通過爬行通過方式通過障礙物，必須要滿足任意時(shí)刻都要有支撐相、仿生多足機(jī)器人不發(fā)生傾翻兩點(diǎn)，初步估計(jì)能保證這兩個(gè)要求的狀態(tài)中障礙物高度在50mm以下。本節(jié)通過更改障礙物的高度通過仿真過程尋找滿足此種運(yùn)動(dòng)方式的障礙物最大高度。具體過程如下：

1）打開用于仿真的膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)幅度為±45°根關(guān)節(jié)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)幅度為±22.5°的裝配體文件；

2）編輯零部件“地面”，切換零部件配置為“爬行測(cè)試”并編輯障礙物高度為50mm，返回裝配體；

3）切換回運(yùn)動(dòng)算例界面，運(yùn)行仿真；

4）分析仿真結(jié)果，若仿生多足機(jī)器人無法滿足要求，則將障礙物高度減少10mm，繼續(xù)執(zhí)行仿真，直到達(dá)到要求為止。

通過仿真后得出結(jié)果為障礙物的最大高度為40.5mm，仿真運(yùn)動(dòng)過程圖如圖11所示。

3 結(jié)論

提出了一種新型的仿生八足越障機(jī)器人，利用舵機(jī)作為原動(dòng)力，通過連桿式關(guān)節(jié)連接，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于控制，中間軀體可以搭載不同設(shè)備，應(yīng)用性強(qiáng)。文中主要對(duì)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)以及越障能力進(jìn)行了闡述與分析，分析得出理論上機(jī)器人能攀爬最大高度為40.5mm的障礙，為多足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了重要的參考價(jià)值。