孫 筠，吳世強(qiáng)

（湖北第二師范學(xué)院 物理與機(jī)電工程學(xué)院，武漢 430205）

1 設(shè)計背景分析

在自然界和人類社會中，存在一些人類無法到達(dá)的地方和可能危及人類生命的特殊場合，如其他行星表面、災(zāi)難發(fā)生的礦井、防災(zāi)救援和反恐斗爭等，對這些危險環(huán)境進(jìn)行不斷地探索和研究，尋求一條解決問題的可行途徑成為科學(xué)技術(shù)發(fā)展和人類社會進(jìn)步的需要。[1]在以上特殊場合主要運用機(jī)器人代替人類進(jìn)行作業(yè)，不同場合對機(jī)器人有不同的要求，如在路況不同的情況下要求機(jī)器人有良好的行走功能。

行走機(jī)器人主要行走方式有多足式、車輪式和履帶式，三種方式各有優(yōu)缺點。車輪式和履帶式在平坦地形上行駛時速度快、平穩(wěn)、控制簡單，但在不平坦或松軟地形時機(jī)動性大大降低。在該背景下多足機(jī)器人應(yīng)運而生，主要在地形不規(guī)則、崎嶇時表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。[2]

目前對四足、六足機(jī)器人研究較多，隨著對危險環(huán)境監(jiān)測和探索的深入，對多足機(jī)器人的靈活性與智能性提出了更高的要求。八足機(jī)器人相比于四足、六足而言運動更加靈活，承載能力更強(qiáng)，可攜帶的探測器和傳感器更多，可操作性和智能性更強(qiáng)。

2 八足機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 軀體設(shè)計

如圖1和圖2所示，軀體設(shè)計成正八邊形結(jié)構(gòu)，上下殼體分開設(shè)計，八足平均分配到正八邊形的8個角上，每個角開一個直徑15mm 小孔，用于外側(cè)舵機(jī)與控制板連接、USB 數(shù)據(jù)線與電腦連接以及充電插口的連接。軀體內(nèi)部空出，用來放置電池、控制板、遙控模塊、控制線等，軀體上平面為一個平面，可以為安裝機(jī)械臂、傳感器、攝像頭、探測器等裝置提供位置。殼體內(nèi)側(cè)每個角開兩個直徑3.5mm圓柱小孔，用于上下殼體通過螺釘貫穿連接。

圖1 軀體下蓋模型圖

圖2 軀體上蓋模型圖

2.2 足部設(shè)計

足部采用開環(huán)三桿機(jī)構(gòu)，它是可以實現(xiàn)全方位運動的特殊結(jié)構(gòu)，相比于多桿機(jī)構(gòu)而言加入腿部水平運動關(guān)節(jié)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中AB可繞A點在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動形成一個轉(zhuǎn)動副，BC可繞B點在豎直平面內(nèi)轉(zhuǎn)動形成一個轉(zhuǎn)動副，CD可繞C點在豎直平面內(nèi)轉(zhuǎn)動形成一個轉(zhuǎn)動副。其中機(jī)架一個（D點與地面接觸，A點只算作固定在軀體上，實際是可動的），活動構(gòu)件3個形成9個自由度，3個轉(zhuǎn)動副形成6個約束，由此可知每個腿上剩余自由度為3，在腿部配備三個舵機(jī)帶動關(guān)節(jié)運動，原動機(jī)與自由度數(shù)量相等，腿部各關(guān)節(jié)的位置可以通過控制舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度來實現(xiàn)。與傳統(tǒng)多桿機(jī)構(gòu)的腿部相比結(jié)構(gòu)更簡單，加入水平轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)[3]，更加易于實現(xiàn)身體轉(zhuǎn)動，但缺點是控制電機(jī)更多、耗能更大、運動時需要協(xié)調(diào)各電機(jī)的轉(zhuǎn)動情況（運動步態(tài)復(fù)雜）。

運用三維建模軟件SolidWorks建立腿部模型，如圖4所示，兩個半基節(jié)呈十字形背靠背，通過兩顆緊定螺釘連接為一個基節(jié)；舵機(jī)與舵機(jī)艙過度配合進(jìn)行連接；關(guān)節(jié)連接方法是一側(cè)小孔與突起配合轉(zhuǎn)動，另一側(cè)舵盤與關(guān)節(jié)用緊定螺釘連接。為了提高機(jī)器人運動靈活性，八足機(jī)器人可以用8足配合運動也可以用6足配合運動。當(dāng)只用6足配合運動時，不參與運動的兩足可以用來夾取物體，使得機(jī)器人功能更加豐富。將腿部分為6只基礎(chǔ)腿部和2只夾取腿部。為保證夾取的可靠性，兩腿的內(nèi)側(cè)要求平整，這也是夾取腿部與基礎(chǔ)腿部的區(qū)別。腿部模型圖如圖4、圖5所示，第二、第三舵機(jī)轉(zhuǎn)動控制腿部外側(cè)兩關(guān)節(jié)抬起落下，第一舵機(jī)轉(zhuǎn)動控制整個腿部在水平面內(nèi)向前、向后轉(zhuǎn)動。

圖5 夾取左腿模型圖

2.3 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

八足機(jī)器人3D模型如圖6所示，8只腳安裝在八邊形殼體的8個角上，其中2只夾取腿部在最前面（左右各一），6只基礎(chǔ)腿部在后面。軀體殼上平面可以為其他機(jī)械結(jié)構(gòu)、傳感儀器等提供安裝位置。

圖6 八足機(jī)器人3D模型圖

3 運動步態(tài)分析設(shè)計

無論是三角步態(tài)還是四角步態(tài)，運動原理是相同的。支撐相與地面接觸并轉(zhuǎn)動，擺動相在空中抬起和落下、減小摩擦和恢復(fù)水平位置，為下一周期運動作準(zhǔn)備，擺動相與支撐相互交替循環(huán)實現(xiàn)各種運動。[4]

三角步態(tài)與四角步態(tài)的主要差異是腿分組不同。三角步態(tài)如圖7所示，后側(cè)的六只腳中L1、L3、R2為一組，L2、R1、R3為一組。四角步態(tài)如后文圖9所示，八只腳中L1、L3、R2、R4為一組，L2、L4、R1、R3為一組。

圖7 三角前行原理圖

3.1 三角步態(tài)分析設(shè)計

三角步態(tài)前行運動原理如圖7所示。

0至T/2時間內(nèi)L2逆時針轉(zhuǎn)動，R1 R3順時針提供向前位移。避免摩擦L1 L3 R2在0至T/4抬起后，T/4至T/2落下。（L2 R1 R3為支撐組，L1 L3 R2為擺動組）

到臨界點時，T/2至T時間內(nèi)L1 L3逆時針轉(zhuǎn)動，R2順時針轉(zhuǎn)動，提供向前位移。為了恢復(fù)在第一個T/2時間內(nèi)的支撐腿（L2 R1 R3）的位置，為下次支撐做準(zhǔn)備，所以在T/2至3T/4時間內(nèi)L2抬起并順時針轉(zhuǎn)動、R1 R3抬起并逆時針轉(zhuǎn)動，在3T/4至T時間內(nèi)L2落下并順時針轉(zhuǎn)動、R1 R3落下并逆時針轉(zhuǎn)動，并且位置恰好與這組腿的初始位置重合。（L1 L3 R2為支撐組，L2 R1 R3為擺動組）

達(dá)到時間T時，換作L2 R1 R3為支撐組，L1 L3 R2為擺動組，這兩組不斷交替，完成前行動作。

后退相比于前行而言，原理是一樣的，只是每次支撐腿在水平方向上的轉(zhuǎn)動方向都相反。

軀體右轉(zhuǎn)動只需支撐相交替在水平方向向左轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動情況如圖8所示。左轉(zhuǎn)原理以此類推。

圖8 三角右轉(zhuǎn)原理圖

根據(jù)運動原理得出各舵機(jī)的轉(zhuǎn)動情況如表1和表2所示。步態(tài)表中a是水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動的角度，b是豎直平面內(nèi)轉(zhuǎn)動的角度。經(jīng)過實際調(diào)試a=30°，b=40°。

表1 三角前行步態(tài)表

表2 三角右轉(zhuǎn)步態(tài)表

（編號原則：L11：左邊第一條腿上的1號舵機(jī)，L12：左邊第一條腿上的2號舵機(jī)，L13：左邊第一條腿上的3號舵機(jī)，R11：右邊第一條腿上的1 號舵機(jī)，R22：右邊第二條腿上的2 號舵機(jī)，R33：右邊第三條腿上的3 號舵機(jī)，余下的以此類推）

3.2 四角步態(tài)分析設(shè)計

四角前行相比于三角前行而言，按圖9 所示交替變換支撐腿與擺動腿。以此類推可得四角步態(tài)后退原理。其余四角步態(tài)運動原理依據(jù)四角步態(tài)的分組情況和三角步態(tài)運動原理類比可得出。

圖9 四角前行原理圖

四角前行步態(tài)如表3所示，其他步態(tài)表結(jié)合運動原理可推出。

表3 四角前行步態(tài)表

4 控制系統(tǒng)的設(shè)計

4.1 驅(qū)動部件的選擇

八足機(jī)器人負(fù)荷較小，所有24個可活動關(guān)節(jié)采取同一型號的舵機(jī)驅(qū)動。選擇舵機(jī)時需要考慮的參數(shù)有輸出的轉(zhuǎn)動速度、扭矩大小、工作電壓、尺寸、重量、材料等。根據(jù)機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)大小、整體重量、舵機(jī)參數(shù)以及驅(qū)動能力等因素綜合分析后，選擇MG995 型號的舵機(jī)，該舵機(jī)最大轉(zhuǎn)動角度為180°，最大輸出扭矩為13kg·cm。

4.2 控制模塊的選擇

機(jī)器人控制板選用基于ARM Cortex-M3 內(nèi)核高性能STM32 單片機(jī)的24 路舵機(jī)控制板，該控制板運行速度快，控制精度高，可對24 個舵機(jī)進(jìn)行獨立控制，以保證各個動作執(zhí)行的流暢性和精準(zhǔn)性。支持上位機(jī)軟件對動作組在線調(diào)試、脫機(jī)運行和下載，擁有16M 的大容量內(nèi)存，可以容納230 個動作組，每個動作組可以容納510 個動作。支持手機(jī)藍(lán)牙控制和PS2 手柄控制（遙控范圍約為10m，距離增加可在控制板上連接高頻發(fā)射器）。

4.3 控制方案的設(shè)計

根據(jù)八足機(jī)器人腿部各種運動狀態(tài)時的動作姿態(tài)，可得出在相應(yīng)時間各舵機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度。運動具有較高的對稱性，可在上位機(jī)里面設(shè)定大致參數(shù)后下載到第100 組（第100 組可脫機(jī)運行）里面進(jìn)行運行調(diào)試，調(diào)試達(dá)到要求后下載到對應(yīng)的動作組即可。手柄或手機(jī)按下動作指令到機(jī)器人實現(xiàn)對應(yīng)運動的原理如圖10 所示。

圖10 動作指令到實現(xiàn)運動原理圖

5 實驗測試

八足機(jī)器人的部分標(biāo)準(zhǔn)零部件可直接采購，剩余非標(biāo)準(zhǔn)件采用常規(guī)的機(jī)加工與3D打印機(jī)進(jìn)行加工。每個關(guān)節(jié)的舵機(jī)與舵機(jī)艙過盈配合連接，關(guān)節(jié)一側(cè)是小孔與突起連接（突起直徑5mm，孔直徑5mm，高度為2mm）形成軸與孔的過渡配合，舵機(jī)齒與舵盤過盈配合連接，舵盤與關(guān)節(jié)通過自鎖螺釘連接以此完成每個可轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的連接；上下殼體之間通過長螺釘貫穿舵機(jī)連接。實物如圖11所示。

圖11 八足機(jī)器人實物圖

將對應(yīng)動作下載至控制板，得出以下運動測試結(jié)果。四角步態(tài)運動時，每組都有交錯四只腳與地面接觸，重心位置變化不大，運動平穩(wěn)；三角步態(tài)運動時，前側(cè)兩足可以完成夾取物體動作，且不受三角步態(tài)運動影響，依靠后側(cè)六足交替實現(xiàn)運動，運動穩(wěn)定性也較好。

6 總結(jié)

八足機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)運用簡單的開環(huán)三桿機(jī)構(gòu)實現(xiàn)全方位運動，相比傳統(tǒng)多桿機(jī)構(gòu)而言結(jié)構(gòu)更簡單，特別是在實現(xiàn)身體轉(zhuǎn)動時優(yōu)勢明顯。每條腿三個自由度，既可以調(diào)節(jié)腿部在空間的位置，又可以調(diào)節(jié)身體重心。設(shè)計創(chuàng)新點主要包含：

（1）運動實時性強(qiáng)?？梢酝ㄟ^PS2手柄（裝上藍(lán)牙模塊可手機(jī)藍(lán)牙控制）實時控制機(jī)器人，手柄最多可以控制執(zhí)行21組動作。

（2）運動步態(tài)多樣。既可以四角步態(tài)運動也可以三角步態(tài)運動，且在三角步態(tài)運動時剩余兩足可單獨夾取物體，不受三角步態(tài)影響。

（3）智能操控性高。選擇的控制板可以與其他單片機(jī)通信，配合傳感器可提高機(jī)器人的智能水平。

（4）應(yīng)用場景豐富。機(jī)器人上蓋裝有攝像頭，處于視野盲區(qū)內(nèi)時，可通過實時監(jiān)控畫面，進(jìn)行一定距離的遙控，也可應(yīng)用在環(huán)境檢測等方面。