孫祖威，張文廷，李曉丹，王博雨，燕文俊

(遼寧工業(yè)大學(xué)，遼寧 錦州 121001)

0 引言

隨著科技的發(fā)展，各式各樣的機(jī)器人開始代替人類去完成日常甚至危險(xiǎn)的工作，其中應(yīng)用較為廣泛的機(jī)器人有多足式機(jī)器人和輪式、履帶式機(jī)器人。多足式步行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡是一些離散點(diǎn)，而輪式、履帶式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡是連續(xù)的線，在一些復(fù)雜地形情況中，多足式機(jī)器人的適應(yīng)性更強(qiáng)，因此多足式機(jī)器人也成為了機(jī)器人學(xué)研究領(lǐng)域中的熱點(diǎn)[1]。

國(guó)內(nèi)已在步行機(jī)器人領(lǐng)域中取得了一定的研究成果，設(shè)計(jì)出了許多具有代表性的機(jī)器人，如哈爾濱工業(yè)大學(xué)的類豹型機(jī)器人[2]、山東大學(xué)的液壓步行機(jī)器人[3]等，從這些具有代表性的多足式步行機(jī)器人的研究過(guò)程中可以發(fā)現(xiàn)，其研究的重點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)高承載、高速以及低功耗等一些特性，而這些特性的實(shí)現(xiàn)所依靠的是復(fù)雜的腿部結(jié)構(gòu)以及控制算法。因此，本文設(shè)計(jì)一種由曲軸、連桿以及其他部件組合而成的多足隨動(dòng)式仿生蜘蛛探尋機(jī)器人，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且運(yùn)動(dòng)可靠，大大降低了多足式機(jī)器人的結(jié)構(gòu)及控制復(fù)雜度。

1 仿生蜘蛛探尋機(jī)器人設(shè)計(jì)

1.1 仿生蜘蛛探尋機(jī)器人方案設(shè)計(jì)

結(jié)合蜘蛛爬行動(dòng)作中的幾個(gè)階段以及對(duì)多足式步行機(jī)器人步態(tài)的分析，使用SolidWorks軟件建立了仿生蜘蛛探尋機(jī)器人的三維模型并進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真，設(shè)計(jì)出了一款結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)可靠，且多個(gè)足端能夠隨動(dòng)的仿生蜘蛛探尋機(jī)器人。

該仿生蜘蛛探尋機(jī)器人能夠通過(guò)馬達(dá)帶動(dòng)主齒輪及連桿和曲軸進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，可以模仿蜘蛛爬行動(dòng)作以完成基本的爬行，能通過(guò)控制舵機(jī)以控制仿生蜘蛛探尋機(jī)器人前端夾爪的動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的搬運(yùn)功能。仿生蜘蛛探尋機(jī)器人的三維模型圖如圖1所示。

圖1 仿生蜘蛛探尋機(jī)器人三維模型圖

1.2 仿生蜘蛛探尋機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

仿生蜘蛛探尋機(jī)器人主要由動(dòng)力源、傳動(dòng)部件、夾爪及腿部零件等組成。仿生蜘蛛探尋機(jī)器人的三維結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

1—夾爪；2—?jiǎng)恿υ矗?—腿部零件；4—傳動(dòng)部件。

1.3 仿生蜘蛛探尋機(jī)器人腿部設(shè)計(jì)

1.3.1 腿部零件設(shè)計(jì)

腿部零件設(shè)計(jì)如圖3所示。

1—連桿安裝孔；2—曲軸安裝孔。

其中，連桿安裝孔用于安裝連桿，仿生蜘蛛探尋機(jī)器人的腿部零件有8個(gè)，同時(shí)連桿的個(gè)數(shù)也為8個(gè)；曲軸安裝孔用于安裝曲軸，曲軸的個(gè)數(shù)為4個(gè)。

1.3.2 連桿設(shè)計(jì)

連桿設(shè)計(jì)如圖4所示。

1—腿部零件安裝處；2—主安裝板安裝孔。

其中，凸起結(jié)構(gòu)用于腿部零件的安裝，其與圖3腿部零件的連桿安裝孔相配合；安裝孔安裝在主安裝板上，使連桿及與其相配合的腿部零件繞一個(gè)中心軸做弧形非圓周運(yùn)動(dòng)。

1.3.3 曲軸設(shè)計(jì)

曲軸是實(shí)現(xiàn)多足隨動(dòng)的主要部件，為了使結(jié)構(gòu)可靠，將其設(shè)計(jì)為齒輪軸的形式，如圖5所示。

1—齒輪；2—軸段一；3—軸段二；4—軸段三。

其中，軸段一用于齒輪的定位安裝，安裝在主安裝板上；軸段二用于安裝前后交錯(cuò)的腿部零件中靠近齒輪的那一個(gè)腿部零件，其與圖3腿部零件中的曲軸安裝孔相配合；軸段三用于安裝前后交錯(cuò)的腿部零件中靠近主安裝板的那一個(gè)腿部零件，配合關(guān)系同軸段二。

1.3.4 腿部整體結(jié)構(gòu)

腿部及其零件整體的安裝效果如圖6所示。

1—主安裝板；2—連桿；3—腿部零件；4—曲軸。

1.4 仿生蜘蛛探尋機(jī)器人傳動(dòng)部件設(shè)計(jì)

仿生蜘蛛探尋機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中需要將動(dòng)力源產(chǎn)生的動(dòng)力平穩(wěn)地傳動(dòng)到各個(gè)腿部零件上，并且需要將速度降至合適的區(qū)間內(nèi)，而齒輪的優(yōu)點(diǎn)便是傳動(dòng)平穩(wěn)且傳動(dòng)比可自行設(shè)計(jì)，并且結(jié)構(gòu)緊湊，適用于仿生蜘蛛探尋機(jī)器人，因此采用齒輪組進(jìn)行傳動(dòng)，如圖7所示。

1—曲軸齒輪；2—傳動(dòng)齒輪；3—?jiǎng)恿X輪。

其中，曲軸上的齒輪齒數(shù)為31，傳動(dòng)齒輪的齒數(shù)為18，動(dòng)力齒輪的齒數(shù)為26，經(jīng)計(jì)算，該齒輪組的中心距及傳動(dòng)比均滿足要求。

1.5 仿生蜘蛛探尋機(jī)器人夾爪的設(shè)計(jì)

仿生蜘蛛探尋機(jī)器人的夾爪設(shè)計(jì)如圖8所示。

圖8 夾爪

夾爪的設(shè)計(jì)可使仿生蜘蛛探尋機(jī)器人進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的夾取與搬運(yùn)。

1.6 仿生蜘蛛探尋機(jī)器人控制流程

仿生蜘蛛探尋機(jī)器人由STM32系列單片機(jī)中的STM32F103型號(hào)單片機(jī)進(jìn)行控制。仿生蜘蛛探尋機(jī)器人行走及夾取動(dòng)作通過(guò)由STM32單片機(jī)控制2個(gè)直流電機(jī)以及1個(gè)舵機(jī)來(lái)完成。工作時(shí)，直流電機(jī)帶動(dòng)動(dòng)力齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，動(dòng)力齒輪帶動(dòng)傳動(dòng)齒輪，傳動(dòng)齒輪帶動(dòng)曲軸齒輪，曲軸齒輪帶動(dòng)腿部上裝置的連桿機(jī)構(gòu)以帶動(dòng)2只腿運(yùn)動(dòng)，另外2只腿則是需要齒輪組中另一側(cè)的齒輪來(lái)帶動(dòng)，2條腿同時(shí)裝配了連桿機(jī)構(gòu)，機(jī)器人前端的夾爪則是需要使用舵機(jī)來(lái)帶動(dòng)。仿生蜘蛛探尋機(jī)器人的控制系統(tǒng)原理圖如圖9所示。

圖9 仿生蜘蛛探尋機(jī)器人控制系統(tǒng)原理圖

2 仿生蜘蛛探尋機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真

使用SolidWorks軟件的運(yùn)動(dòng)仿真功能對(duì)仿生蜘蛛探尋機(jī)器人進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真，仿生蜘蛛探尋機(jī)器人的行走過(guò)程并不復(fù)雜，本次仿真主要針對(duì)仿生蜘蛛探尋機(jī)器人的行走過(guò)程。運(yùn)動(dòng)仿真過(guò)程中部分重要的動(dòng)作如圖10所示。

(a)靠后四腿落地

(b)靠后四腿抬起1/3

(c)靠后四腿抬起2/3

(d)靠后四腿全部抬起

由圖10可知，仿生蜘蛛探尋機(jī)器人在行走時(shí)的動(dòng)作與蜘蛛的爬行動(dòng)作相似，且在結(jié)構(gòu)上并無(wú)干涉，說(shuō)明設(shè)計(jì)方案可行。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)SolidWorks軟件對(duì)仿生蜘蛛探尋機(jī)器人進(jìn)行三維建模與運(yùn)動(dòng)仿真。結(jié)果證明，仿生蜘蛛探尋機(jī)器人原理可行，在運(yùn)動(dòng)時(shí)，結(jié)構(gòu)上并無(wú)干涉。從仿生蜘蛛探尋機(jī)器人的行走等動(dòng)作中可看出其良好的協(xié)調(diào)性和靈活性。由于具有廣闊的應(yīng)用前景和實(shí)用性能，仿生蜘蛛探尋機(jī)器人將在未來(lái)諸多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。