李 博 周佳俊 周 宇 陳泓宇 張士順 劉帥文 李 碩

（河南科技大學 機電工程學院，河南 洛陽 471003）

1 項目背景

我國仿生科技的發(fā)展已經接近60 年的歷史，仿生學思想是我們人類在生物學和人類之間架起的一座橋梁，我們人類通過學習并運用生物學的相關原理，使我們不僅滿足了自己的需求，同時也適應了自然的需要。我們設計的仿生智能蜘蛛機器人，不僅可以更好的學習蜘蛛的運動方式，且在現有的蜘蛛機器人能夠實現普通行走和爬墻的功能上，又增加了一種攀爬樹干的功能。

2 全地形智能蜘蛛機器人概況

如圖1，蜘蛛機器人本身以鋁金屬作為框架，六個足部用24 個SR518 雙軸舵機，具有較大的扭矩，足以支撐整個機械結構的運動，蜘蛛機器人的身體上主要有小型攝像頭和樹莓派控制板，可以實現全自動化和半自動化的模式切換。半自動情況下，可以通過樹莓派與手機通信連接，可直接通過手機控制蜘蛛機器人實現在地面上的前進，后退等基本運動功能，也可通過手機觀察攝像頭的畫面，可以幫助人類觀察一些危險地段的內部情況。全自動情況下，蜘蛛機器人可以實現自動避障，自動到達目的地的功能，實現蜘蛛機器人自主完成任務的能力。

2.1 軀干設計

由于蜘蛛機器人的整個運動狀態(tài)不需要對軀干部份有特別的需求，所以我們主要以鋁合金材料作為蜘蛛機器人的整體軀干，鋁合金質量較輕，能夠大大降低整個機器人的質量，且鋁合金較為柔軟，強度優(yōu)良，以及可加工性能好均是能夠勝任我們材料選擇的原因。如圖2，整體軀干呈近菱形，兩頭窄，中間寬的設計方式可以減少六條腿之間的相互碰撞，使整個機器人更加穩(wěn)定[1]。

圖2 軀體為類菱形結構

在軀干和腿連接的部分，我們?yōu)榱朔乐雇鹊母吭谶M行左右移動的過程中和軀體產生碰撞，導致腿部無法完成正常的左右旋轉，如圖3，我們以腿根部的旋轉軸為旋轉中心，向軀體內設計了一個類半圓形凹槽，來保證腿根部的正常旋轉。

圖3 半圓凹槽

同時為了能夠固定腿根部舵機的安裝，我們設計了懸空框架，分為上框架和下框架，如圖4，5 所示，上框架是按照軀體以近菱形的形狀設計而成，在與腿根部舵機安裝的部位，設計了一個以旋轉軸為旋轉中心的U 型連接凹槽[2]，能夠完美的連接腿根部舵機，與軀干凹槽形成配合，同時U 型連接槽的設計相比較圓形連接槽能夠減少用料，減輕整個產品質量，減低加工難度，且能與舵機完全連接，保證整個機械結構的正常使用。下框架除了設計有與上框架相同的結構，在下框架中，我們還增加了三根橫梁，用來增加橫向強度，增加下框架的受力能力，可以承受整個機器人在行走過程中腿根部向下的力。

圖4 上框架

軀干內部搭載了4 代樹莓派4b，該主板具有四核CPU 處理器，具有較快的處理能力，完全可以勝任機器人的運動計算要求，同時加配了ov5647 攝像頭模塊，具有500 萬像素，樹莓派通過和手機WIFI 通信，將攝像頭拍攝到的畫面?zhèn)鬏數绞謾C客戶端。

圖5 下框架

2.2 腿部設計

整個蜘蛛機器人的運動主要是依靠腿部支撐來完成的，所以我們采用了較大扭矩的SR518 雙軸舵機，設計的6 足機器人，一足有4 個自由度，因此每條腿需要4個舵機，一共24 個舵機，24 個舵機使用24 路PWM控制器集中管理控制。相比較平常的三個自由度來講，可活動范圍更廣，更方便實現機器人的轉向，保持機械結構平衡等功能[3]。

腿部主要包括一個腿根部舵機，三個腿關節(jié)舵機以及減震足部。如圖6，腿根部舵機可以實現整個腿部的左右旋轉，是腿部和軀干連接的主要舵機，與軀體下框架配合承受整個機器人的載重力[4]。如圖7，三個腿關節(jié)舵機能夠實現腿部的抬起，向前移動，落地的動作，是腿部能夠向前運動的主要關節(jié)，舵機與舵機之間的連接，同樣采用的是U 型凹槽的連接方式，能夠減少用料，降低加工難度，在連接件中間還加入了橡膠墊片，不僅有穩(wěn)固連接件的作用，還能起到減震的作用，同是中間挖空的設計[5]，是為了減輕整體的質量，減少材料用量，且經過力學分析，并不影響整體的受力情況。

圖6 腿根部舵機

圖7 腿關節(jié)舵機及U 型槽連接件

如圖8，9 所示腿部行走機構包括連接支架（12），在連接支架（12）上設置有電機（11）和絲杠，電機（11）輸出軸帶動絲杠軸（19）轉動，絲杠軸（19）端部設置有支撐腿（18）。

圖8 足部分析圖

攀爬結構包括固定支架（14），固定支架（14）上部固定設置在連接支架（12）上，所述固定支架（14）上活動設置有用于攀爬的支腿，所述支腿包括內腿（15）和外腿（16），所述外腿（16）一端通過轉動軸設置在固定支架（14）上，外腿（16）上設置有導軌，所述內腿（15）一端與所述導軌滑動連接，內腿（15）另一端設置在連接件（13）上，所述連接件（13）與絲杠軸（19）螺紋連接，電機（11）工作時，可以帶動所述支腿松開或者抓緊,用來實現蜘蛛的爬樹功能。絲杠軸（19）下部設置有用于連接件（13）限位的限位圈（20）。

圖9 足部設計圖

如圖10，在足部我們設計了一個彈簧加橡膠減震的裝置，彈簧安裝在了圓柱裝置中，采用的是高強度彈簧，能夠有效的吸收腿部落地時產生的剛性沖擊力，且能夠有效的起到緩震的作用，最大限度的保護整個機器人，延長使用壽命，最后在足部我們設計了一個半圓的橡膠結構，不論在平面上還是在斜面上行走的過程中，都能與地面以某一個點為接觸，且足部所受到的力是指向球心向里的，從而使八個足部能夠支撐起整個機器結構，提高整個機器人的平衡性，同時因為使用的是橡膠材料，不僅可以提供足夠大的摩擦力，還能夠起到減震的效果，雙重保證整個機械結構的平穩(wěn)性[6]。

圖10 蜘蛛機器人足部

3 結論

本研究的創(chuàng)新點主要是該攀爬結構可以幫助該智能蜘蛛機器人實現爬樹的功能，目前現有的仿蜘蛛機器人主要以模仿蜘蛛的行走形態(tài)為主，主要設計蜘蛛行走算法，或者設計蜘蛛腿部的機械結構，多以能夠用簡單的腿部機械結構實現在平地行走為目的，設計蜘蛛能在多種地形上行走的發(fā)明技術較少。我們的這種創(chuàng)新，增加了能夠實現攀爬得功能，對于蜘蛛得行走地形，又增加了一種新的地形。該產品的程序是基于python 語言的樹莓派控制，python 語言是一種以簡便著稱的語言，簡單易學，容易上手。而且整個機器人的材料輕便，便宜，與國內類似產品相比價格更低且適用范圍更廣，可應用于救援隊規(guī)模性使用，也可個人使用。同時本產品輕便簡潔，外形小巧，整體體積占用空間小；結構簡單、能耗低，技術已相對成熟。