譚梓煒

（深圳市創(chuàng)客工場科技有限公司）

結(jié)構(gòu)仿生在機(jī)器人設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用

譚梓煒

（深圳市創(chuàng)客工場科技有限公司）

Makeblock是一個包含金屬零件、電子模塊、軟件工具的開源工程積木平臺。基于Makeblock平臺，你可以快速搭建高性能仿生爬行機(jī)器人。本文主要介紹了Makeblock和分析了爬行機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)和工作原理。

Makeblock；爬行機(jī)器人；結(jié)構(gòu)和原理

1 Makeblock簡介

Makeblock最初的理念就是打造金屬版的“樂高積木”，提供一個無需專業(yè)知識也可以快速搭建專業(yè)機(jī)器人的平臺。Makeblock是機(jī)器人DIY和創(chuàng)意實現(xiàn)的平臺，它給使用者提供了一套完善的機(jī)械、電子、軟件的解決方案。機(jī)械部分，機(jī)械零件主要采用的是鋁合金，這些零件包含結(jié)構(gòu)件、傳動件和連接件。用這些機(jī)械零件能夠組裝出各種類型的機(jī)器人和機(jī)械結(jié)構(gòu)。這些機(jī)械零件主要使用高強(qiáng)度的鋁合金，外觀設(shè)計具有機(jī)械美感。

電子模塊，基于應(yīng)用范圍非常廣泛的開源硬件Arduino，設(shè)計開發(fā)的各種類型的傳感器、控制器及電機(jī)驅(qū)動單元，采用RJ25接口和色標(biāo)體系，便于用戶將控制器和傳感器連接起來。

軟件部分，適用于平板電腦、手機(jī)和PC客戶端的App和軟件便于和硬件實現(xiàn)交互。通過它可以實現(xiàn)與Arduino平臺的執(zhí)行器和傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)操控機(jī)器人和機(jī)械臂的運(yùn)動，實現(xiàn)操控機(jī)器人倒水、酒這類液體，彈射小球，相撲機(jī)器人進(jìn)行相撲比賽的功能。

2 四足仿生爬行機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)和原理

2.1 機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計

設(shè)計仿生爬行機(jī)器人的過程中，其中一個關(guān)鍵結(jié)構(gòu)就是腿部。設(shè)計爬行機(jī)器人的要求是整個機(jī)構(gòu)的重心要盡量低，為了確保這種機(jī)器人在爬行的時候，穩(wěn)定性能比較好，減少消耗能量，在垂直方位腿部活動空間要大，這樣才能更好的適應(yīng)地形[1]。一般情況下，腿部結(jié)構(gòu)應(yīng)該最少具有3個自由度。四足機(jī)器人一般情況下有4條腿，也就是一共有12個自由度。通過仔細(xì)觀察狗等動物的骨骼結(jié)構(gòu)來設(shè)計機(jī)器人的機(jī)械機(jī)構(gòu)，所以，仿生性能體現(xiàn)在機(jī)械機(jī)構(gòu)上。

爬行機(jī)器人的腿部分支都有3個自由度，且4條腿部結(jié)構(gòu)非常對稱，整個機(jī)構(gòu)的重心正好位于幾何中心，腿部機(jī)構(gòu)非閉式鏈，相當(dāng)緊湊，此種結(jié)構(gòu)較為緊湊，當(dāng)爬行機(jī)器人有四條腿或者三條腿和地面接觸到了，整個機(jī)器人就構(gòu)成了并聯(lián)機(jī)構(gòu)，足關(guān)節(jié)和地面是球面副?；诳臻g自由度計算準(zhǔn)則，假如空間有n個物體，隨意選一個為參考物，由于任何東西都有6個自由度：沿直角坐標(biāo)系三個方向的移動，繞軸轉(zhuǎn)動。n個物體相對于參考物有6（n-1）個自由度，如果把這些物體通過運(yùn)動副相互連接，且設(shè)第i個運(yùn)動副有u個約束，這些物體一共有g(shù)個運(yùn)動副，自由度為把全部約束減掉，自由度公式：

在爬行機(jī)器人兩個、三個、四個足部接觸地面的時候，機(jī)構(gòu)的自由度都是6，能夠全方面的運(yùn)動。

在設(shè)計機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)的時候，不能太復(fù)雜，如果腿部桿件過多和結(jié)構(gòu)比較冗雜，這樣很難實現(xiàn)傳遞動力。機(jī)器人在運(yùn)動的時候，腿部結(jié)構(gòu)是交替進(jìn)行運(yùn)動的，則要求在一定負(fù)載的情形下，腿部結(jié)構(gòu)能滿足整個機(jī)構(gòu)的重量和一定程度的承載能力。在設(shè)計四足機(jī)器人的腿部機(jī)構(gòu)的時候，不能光仿照爬行動物的腿部骨骼，其中的原因是單純的仿照，很難在承載力和剛性這兩個方面滿足需求。通過上述敘述可知，設(shè)計爬行機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)的時候要注意以下幾方面：

（1）具有較大的活動空間，其中包含垂直方向和水平方向上的運(yùn)動；

（2）能夠承受一定的負(fù)載和剛度，確保在運(yùn)動過程中比較穩(wěn)定；

（3）結(jié)構(gòu)不能太復(fù)雜，這樣有助于控制運(yùn)動、傳遞動力、制造容易。

2.2 機(jī)器人機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計

四足機(jī)器人必須能在水平方面移動，所以在這個方向上的自由度應(yīng)該滿足需求，假如光把自由度為2的腿部結(jié)構(gòu)與軀體相互連接，當(dāng)隨便三個足部結(jié)構(gòu)與地面相接觸的時候，因為整個結(jié)構(gòu)具有一個自由度，機(jī)器人就難以進(jìn)行運(yùn)動；如果呈對角方式的兩條腿與地面相接觸的時候，機(jī)構(gòu)自由度還是1，這樣的話，爬行機(jī)器人活動范圍就是一條線，大大降低了靈活度，這樣只能爬行，但嚴(yán)重限制了其活動范圍。這樣水平方面的自由的不夠，難以讓機(jī)器人活動。

在壁虎攀爬的時候，通常情況需左右擺動身體進(jìn)而實現(xiàn)爬行運(yùn)動，根據(jù)仿生這方面的理論知識，把壁虎左右擺動這個動作設(shè)計為機(jī)器人腰部結(jié)構(gòu)，這個在水平方向?qū)崿F(xiàn)扭動的自由度增加到四足機(jī)器人的步態(tài)當(dāng)中，在一定程度上，增大了整個機(jī)構(gòu)的靈活程度，活動范圍大大增大了。

2.3 關(guān)節(jié)驅(qū)動器

因為設(shè)計爬行機(jī)器人的時候，在空間和尺寸方面的要求比較多，所以選一款在成本、重量和尺寸等等角度上都滿足需求的關(guān)節(jié)驅(qū)動器。電機(jī)是一種具有代表性的驅(qū)動器，電機(jī)具有各種各樣的類型，比較普遍的電機(jī)有直流伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)，輸出力矩不是很大，電機(jī)的尺寸還比較大，機(jī)器人關(guān)節(jié)要求驅(qū)動器的體積不能太大，因此這種類型的電機(jī)會加大機(jī)器人整體體積和重量，損耗較多的能量，增加了爬行的難度。經(jīng)過上述考慮，機(jī)器人關(guān)機(jī)驅(qū)動器選用舵機(jī)。舵機(jī)是一款體積較小位置角度伺服電機(jī)，里邊安裝了能夠?qū)⑽恢眯畔⒎答伝貋淼南到y(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單且比較小，重量不是很重，裝起來也比較簡單容易，并可以輸出較大的力矩，舵機(jī)的構(gòu)成成分主要有位置檢測器、外殼、無核心馬達(dá)、電路板、齒輪。舵機(jī)的工作機(jī)理為通過接收機(jī)發(fā)射信號，傳給舵機(jī)，通過電路板的IC電路來辨別向哪個方向轉(zhuǎn)動，接下來讓無核心馬達(dá)運(yùn)作起來，通過減速器把輸出力矩傳送給輸出臂，與此同時，位置檢測器把信息傳送到IC電路，來辨別輸出臂有沒有到已事先規(guī)定好的位置和角度?？勺冸娮枋俏恢脵z測器的主要成分，如果舵機(jī)轉(zhuǎn)起來的時候，電阻值會隨著電機(jī)轉(zhuǎn)動而變化，通過測試電阻的大小就可以算出轉(zhuǎn)過了多大的角度。電動機(jī)與減速器相連接，帶動線性可變電阻來測試處于什么位置，控制電路把反饋電壓和輸入脈沖信號相比較，如果有偏差出現(xiàn)就會使直流電機(jī)運(yùn)作起來，且基于偏差是正還是負(fù)來判斷向正方向還是逆向轉(zhuǎn)，這樣可以讓輸出臂的的期望值和輸出的位姿對應(yīng)上，這樣當(dāng)電機(jī)具有一定轉(zhuǎn)速的時候，通過減速器帶動位置檢測器轉(zhuǎn)動，一直等到電壓差為0的時候，電機(jī)就不再轉(zhuǎn)了。把這個裝在爬行機(jī)器人腿部關(guān)節(jié)和其他，能夠更好的使機(jī)器人關(guān)節(jié)活動起來，與此同時，體積和重量也不會太大。

[1]宋揚(yáng).平面移動關(guān)節(jié)四足機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計與步行方法研究[D].哈爾濱工程大學(xué)，2010.

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2016-7-11