成鵬 劉鑫 李研 林仁達(dá) 蔣世法 任季星

摘 要：自然災(zāi)害對人類社會所造成了巨大的傷害。將機(jī)器人應(yīng)用于救援系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)很多人們無法完成的搜救任務(wù)使得救援的效率大大提升。六足機(jī)器人具有運(yùn)動靈活、地形適應(yīng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于對自主性、靈活性有較高要求的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境作業(yè)中，通過模擬多足生物的運(yùn)動方式，并對其運(yùn)動方式進(jìn)行改進(jìn)。找到適合于機(jī)器人的運(yùn)動方式和控制方法，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人關(guān)節(jié)的多軸轉(zhuǎn)動最終實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的穩(wěn)定移動。

關(guān)鍵詞：六足機(jī)器人;救災(zāi);控制系統(tǒng)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.16.142

1 設(shè)計背景

自然災(zāi)害對人類社會所造成的危害往往是觸目驚心的，將機(jī)器人應(yīng)用于救援系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)很多人們無法進(jìn)行的搜救任務(wù)。提高了搜救范圍和效率。該設(shè)備也可用于人們不易探索的領(lǐng)域如被核輻射破壞過的環(huán)境。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)

2.1 國內(nèi)現(xiàn)狀

與發(fā)達(dá)國家相比，國內(nèi)機(jī)器人研究雖起步較晚，但發(fā)展日趨迅速，也取得了豐碩的成果。如2013年由上海交通大學(xué)研發(fā)的具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的“六爪章魚”救援機(jī)器人[1]?！傲φ卖~”具備深入極端復(fù)雜危險環(huán)境的能力，可在核輻射、水下和火災(zāi)等極端環(huán)境下完成搬運(yùn)、搜索、探測和救援作業(yè)等多種任務(wù)。

2016年，一臺由荷福人工智能集團(tuán)聯(lián)合上海交通大學(xué)共同研發(fā)的六足并聯(lián)步行機(jī)器人在上海浦東公布。如（圖1）所示。

2017年Vincross 人工智能科技公司研發(fā)的全球首款可編程全地形消費(fèi)級機(jī)器人，名為——HEXA。如（圖2）所示。

2018年上海交通大學(xué)研制了一款災(zāi)后救援六足機(jī)器人：這款機(jī)器人主要用于野外環(huán)境探測與作業(yè)?？梢源婢仍藛T攜帶檢測設(shè)備進(jìn)入發(fā)生事故的地點(diǎn)，探測災(zāi)后環(huán)境，搬運(yùn)救災(zāi)物資等。如（圖3）所示。

2.2 國外現(xiàn)狀

2014年12月份，德國比勒費(fèi)爾德大學(xué)研究人員打造出了一只形似巨型昆蟲的地形探測機(jī)器人Hector，它擁有六條可以獨(dú)立移動的支撐腿，因此適用于在各種地形上執(zhí)行研究活動。如（圖4）所示。

2016年，德國航空航天中心研發(fā)了一款六足爬行機(jī)器人，它利用視覺進(jìn)行導(dǎo)航，擁有較高的機(jī)器人的自主能力。如（圖5）所示。

2018年，韓國科學(xué)家發(fā)明的巨型六足機(jī)器人Crabster。這只巨型機(jī)械不僅能在水下游泳還能在陸地和水下爬行還能依靠相對靈活的四足到達(dá)其他水下機(jī)器人很難到達(dá)的偏僻地帶。如（圖6）所示。

2019年法國科學(xué)家開發(fā)出一種能像螞蟻那樣導(dǎo)航的六足機(jī)器人，這個機(jī)器人被稱為AntBot，由CNRS研究所和艾克斯-馬賽大學(xué)的研究人員共同開發(fā)。如（圖7）所示。

3 移動機(jī)器人的設(shè)計與制造

考慮到救災(zāi)現(xiàn)場或者探索場地為結(jié)構(gòu)體環(huán)境，需要單體的機(jī)器人具有運(yùn)動效率高、運(yùn)動靈活、地形適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)。經(jīng)過查閱相關(guān)的資料和研究，我們發(fā)現(xiàn)六足機(jī)器人被廣泛應(yīng)用于全地形機(jī)器人的設(shè)計，當(dāng)采用每條腿三關(guān)節(jié)的設(shè)計時其結(jié)構(gòu)能充分滿足復(fù)雜環(huán)境的需要?；谝陨蠗l件，我們最終設(shè)計了如下圖所示的六足機(jī)器人結(jié)構(gòu)。

4 機(jī)器人機(jī)身材料的選取

在選擇機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計材料時，結(jié)合技術(shù)要求和成本等多方面考慮我們放棄了利用3D打印技術(shù)來加工機(jī)器人結(jié)構(gòu)的想法。轉(zhuǎn)而選擇采用亞克力激光切割的方式來加工所需要的機(jī)械構(gòu)件。亞克力是經(jīng)過特殊處理的有機(jī)玻璃，具有耐磨及耐酸堿性能好、壽命長、加工性能良好等諸多特點(diǎn)[2]。利用激光切割可以快速得到所需工件。

按照所設(shè)計的六足機(jī)器人結(jié)構(gòu)如（圖8）所示，我們需要18路舵機(jī)分別控制六條腿的18個關(guān)節(jié)。機(jī)器人采用三角步態(tài)進(jìn)行向各個方向的移動，即一側(cè)的前后兩條腿和另一側(cè)的中間腿組成一組，分為左右兩組交替想所需方向移動?？刂品绞轿覀儾捎玫氖峭ㄟ^開源的Arduino開發(fā)板進(jìn)行設(shè)計[3]?？刂频囊粋€周期可以分為左右兩個部分，兩部分的程序結(jié)構(gòu)相同分為三步如（圖9）所示。第一步：A-2、C-2、E-2旋轉(zhuǎn)抬起腿部。第二步：A-1、C-1、E-1向前進(jìn)的方向旋轉(zhuǎn)一定的角度稱為前旋，D-1、B-1、F-1向前進(jìn)的反方向旋轉(zhuǎn)一定回復(fù)角度稱為后旋。第三步：第一步：A-2、C-2、E-2旋轉(zhuǎn)放下腿部。左右部分交替完成就可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的移動。

5 總結(jié)

在有了六足機(jī)器人的子體之后，我們可以為多個機(jī)器人添加傳感器并加入Zigbee的通信系統(tǒng)，通過外部計算機(jī)的輔助使得各個機(jī)器人所獲得的信息能夠共享，實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人系統(tǒng)的構(gòu)建。

參考文獻(xiàn)：

[1]李滿宏，張明路，張建華，張小俊.六足機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)綜述[J].河北工業(yè)大學(xué)，2015（10）：2.

[2]葉德軍.機(jī)械加工中激光切割工藝的應(yīng)用分析[J].民營科技，2018（07）：3.

[3]王康南，王利霞.基于arduino平臺的六足仿生機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].鄭州輕工業(yè)學(xué)院，2018（01）：58

基金項目：省級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目“關(guān)于選用六足機(jī)器人作為救援系統(tǒng)子體的研究”（編號：201811927047）。

*為通訊作者