梁廣南 LIANG Guang-nan;何偉 HE Wei;張馨月 ZHANG Xin-yue;蔣柏林 JIANG Bo-lin;楚雪莉 CHU Xue-li;周桂宇 ZHOU Gui-yu
(宜賓學院,宜賓 644000)
仿生機器人為21 世紀初機械科學發(fā)展的一個重要方向。目前,在機器人研究領域,應用仿生學原理,模仿生物的結構特性、從事適合生物特點工作的仿生機器人的研究極具發(fā)展?jié)摿Γ嘧惴律鷻C器人則成為其研究的一個熱點。但是在設計上也有一定的缺點:作為一款靈活移動機器人,卻無法做到靈活的轉動,在仿生螃蟹的基礎上沒有改善其無法靈活轉動的缺點;在作用上功能比較單一;運行的穩(wěn)定性不強;蟹鉗不能夠靈活夾取物品;控制功能不完善等設計缺點。(圖1)
本發(fā)明提供了一種仿生螃蟹機器人:由WiFi 實現了遠程控制,可以代替人工進行取物,同時鉗子可以進行模塊替換以實現不同的功能,如穿插、挖掘等。在滿足基本使用需求后,模塊化的接口設計能夠更有效提高機器人的一體性。
本次設計的仿生螃蟹清潔機器人是通過電機連接齒輪帶動鏈條發(fā)力帶動曲柄搖桿機構使其整體開始運動,并采用ROBO PRO 編程,能夠實現藍牙控制、遙控控制。此設計共采用7 個電機,3 個限位開關,1 個光敏傳感器。底盤兩個電機分別帶動左右兩個曲柄搖桿運動;遇到垃圾物品時通過連接機械臂大臂的電機控制機械臂整體的升降(此處有兩個限位開關,方位機械臂運動過位,損傷機械臂),再通過控制機械臂的機械爪抓取物品,升起機械臂時觸碰限位開關,立即將物品丟入頂部的垃圾筐中。再控制垃圾筐下方連接的渦輪機構控制垃圾筐的升降。
該仿生螃蟹機器人包括:行走驅動部分,裝載部分,導向部分,夾取部分,信息接收和發(fā)送部分,傳感器部分,攝像頭模組,控制部分和電源部分。
①裝載籃。
本設計利用絲杠傳動從而帶動傾斜臺,控制改變載物籃的傾斜度來進行翻倒,且結構緊湊,易于控制,又因為增加了限位開關,可以限制位置以保證設備安全。
②搖桿機構。
本設計運動部分采用Ⅲ級桿組的閉鏈五桿機構,消除傳統(tǒng)仿生機械的多自由度,保留一個自由度,運行狀態(tài)穩(wěn)定,驅動簡單,易于控制。其運動副為低副,低副兩運動副元素為面接觸,壓強較小,故可承受較大的載荷,且有利于潤滑,磨損較?。涣硗馄溥\動副的幾何形狀較簡單,便于加工制造;在連桿機構中,當原動件的運動規(guī)律不變可用改變各構件的相對長度來使從動件中得到不同的運動規(guī)律,可以用來達到擴大行程和實現遠距離傳動等目的。
③機械臂。
關節(jié)式機械臂是一種適用于靠近機體操作的傳動形式??蓪崿F多個自由度,動作比較靈活,適于在狹窄空間工作。通過電機齒輪控制機械臂的起降,同時控制更加便捷。
行走驅動:在控制面板上點擊“前”鍵,兩側腿部處電機19 正轉,通過齒輪鏈條16、17、18 將動力傳遞到腿部大齒輪13 上,同側腿再通過大齒輪的齒輪鏈條13、14、15 嚙合以達到同側同步運動,再通過腿部曲柄搖桿機構,將齒輪轉動轉化為腿部擺動,以達到爬行行走。反之,點擊控制面板上“后”鍵,電機19 反轉,將動力通過齒輪鏈條17、18、19 傳遞到腿部大齒輪13 上,同側腿也通過大齒輪的齒輪鏈條13、14、15 以達到兩側同步運動。當裝置正處于前或后的運動狀態(tài)時,點擊控制面板上的“?!辨I,使電機19 停止轉動,以停止驅動電機來停止行走。同時在移動過程中,可通過藍牙遙控器控制藍牙模塊連接的導向輪21上的舵機20,實現移動過程中的左轉右轉。結構如圖2、圖3 所示。
圖2 輪腿部分結構圖解
圖3 導向部分結構圖解
①由桿1、桿2、桿3、桿4、桿5、桿6 構成一組曲柄搖桿機構。
②由桿7、桿8、桿9、桿10、桿11、桿12 構成一組曲柄搖桿機構。
③各桿連接處內部均有軸承保證其轉動良好,兩兩連桿直接通過鉸制孔用螺栓連接保證其穩(wěn)定性。
夾取機械臂:在控制面板上點擊“鉗子”,(初始狀態(tài)默認為鉗子閉合,鉗子由電機22 驅動),電機22 正轉,絲杠24 轉動,鉗子滑塊23 向前移動,帶動鉗子25 張開,待張開到需要的大小后,點擊“停鉗”,電機22 停止,絲杠24 停止轉動,鉗子25 停止張開并鎖定開口大小。待控制裝置移動到待夾取物時(通過控制面板上攝像頭反饋畫面觀察,物體到鉗子張口中心),再次點擊控制面板上的“鉗子”,使電機36 反轉,絲杠24 反向轉動,鉗子滑塊23 向后移動,帶動鉗子25 閉合,待夾住物體后,點擊“停鉗”,使電機22停轉,鉗子停止閉合并鎖定開口大小。再點擊控制面板上“臂”,電機32 正轉、電機30 反轉,再通過齒輪27 傳動,帶動小臂29 抬起,同時電機36 正轉,通過滾輪將線收束,使大臂26 抬起,待夾取物體的鉗子到達裝載籃后,點擊“停臂”,使電機36、30、32 停止轉動。之后再點擊“鉗子”,使電機22 正轉,絲杠24 轉動,鉗子滑塊23 向前移動,帶動鉗子25 張開,待物體落入裝載籃后,點擊“停鉗”,電機22 停轉,鉗子25 停止張開并鎖定開口大小。再次點擊“臂”,電機32 反轉、電機30 正轉,再通過齒輪27 傳動,使小臂29抬高,待延時兩秒后,電機34 反轉,通過滾輪34、35 反轉釋放線,又因為重力作用,臂自然放下,待大臂落至限位開關31 處時,觸發(fā)后,電機36 停轉,防止?jié)L輪不停轉動,將大臂26 重新拉上去。最后通過攝像頭觀察,待鉗子回到初始位置,點擊“停臂”,停止電機32、30 的轉動。結構如圖4所示。
圖4 夾取部分結構圖解
裝載籃傾倒與回位:待裝載籃37 裝滿收集物品(垃圾)后,點擊控制面板上“裝載籃”鍵,電機40 正轉,帶動絲杠39 轉動,使裝載籃滑塊38 向前移動(此處前為裝載籃開口方向),使裝載籃轉動連接出42 傾角增大,通過滑塊38 不斷移動,待到達極限位置,電機M1停轉,絲杠也停止轉動,裝載籃滑塊38 停止移動并被絲杠39 鎖死。之后再次點擊“裝載籃”,電機40 反轉,絲杠反向轉動,帶動裝載籃滑塊向后移動,待移動到另一極限位置(此處極限位置為裝載籃滑塊初始位置)后,電機40 停轉,絲杠39 也停止轉動,由此回到初始裝載籃37 位置。結構如圖5 所示。
圖5 裝載部分結構圖解
夜間照明:在外界光照強度高時,光電傳感器I3接收信號,照明燈O3、O4停止運作(熄滅),當外界光照強度下降時,光電傳感器I3接收信號,照明燈O3、O4開始工作(亮起)。
通過前面三步對機構模型的建立以及分析,可以使用回放功能對分析結果進行回放,檢查干涉,查看測量和動態(tài)測量,獲取軌跡曲線和運動包絡線以及創(chuàng)建轉移到Mechanica,有利于設計者了解機構的設計合理性、可行性等工程分析。在絲杠旋轉帶動滑塊平移的過程中,絲杠前端會承受壓力,同時絲杠螺旋線上表面會受到載荷。將絲杠材料定義為結構鋼,在旋轉過程中受到5N 方向軸向的壓力,最后通過受力分析可靠性。
行走驅動控制:在控制臺上(電腦)點“前”“后”可對機器人發(fā)送前進后退指令,通過EM1上M3M4電機正轉反轉實現,點擊“?!笨勺孍M1上M3M4電機停止,從而使之前的前后運動過程停止。
夾取控制:點擊控制臺(電腦)的“鉗子”鍵,可使鉗子電機M3正轉,從而鉗子張開,再點擊“停鉗”,使正轉停止。待鉗子運動到指定位置,再次點擊“鉗子”鍵,使鉗子電機M3反轉,鉗口收縮,直至夾住物體,再點擊“停鉗”,停止電機M3反轉。
機械臂控制:點擊控制臺(電腦)的“臂”鍵,使M4正轉,使機械臂大臂抬起至I4,觸發(fā)I4,使EM1上M1正轉M2反轉,使機械臂小臂抬起,待鉗子到達載物籃后,點擊“停臂”,使機械臂向上運動停止。再點擊“臂”鍵,使EM1上M1反轉M2正轉,機械臂小臂放下,延時兩秒后,M4反轉,直至觸發(fā)I5,機械臂下放動作停止。
載物籃控制:點擊控制臺(電腦)上“載物籃”鍵,M1正轉,載物籃抬起,倒出載物籃中物體,到達I1后,觸發(fā)I1,M1正轉停止。再點擊“載物籃”,M1反轉,載物籃放下,直至到達I2,觸發(fā)I2,載物籃回歸原位。
夜間照明:當外界環(huán)境為白天時,I3光電傳感器不觸發(fā),照明燈O3O4不亮,當外界環(huán)境為夜晚時,I3光電傳感器觸發(fā),照明燈O3O4長亮。
①實現遠程控制,突破環(huán)境對人們行動的限制,使其使用更加便民化、便捷化,在10 米范圍內可實現遠程控制。②可實現自動感光開啟或關閉LED 燈,更加契合資源最大化利用、保護環(huán)境的要求,當光照強度低于333Lx 可自動開啟夜間照明模式。③能實現垃圾一鍵夾取、傾倒功能,使其操作更加便捷。④仿生螃蟹的獨特運動方式,讓其不受環(huán)境的約束,同時能夠在平地、草地、沙地等特殊場地進行作業(yè)。