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(xué)院，宜賓 644000）

0 引言

仿生機(jī)器人為21 世紀(jì)初機(jī)械科學(xué)發(fā)展的一個(gè)重要方向。目前，在機(jī)器人研究領(lǐng)域，應(yīng)用仿生學(xué)原理，模仿生物的結(jié)構(gòu)特性、從事適合生物特點(diǎn)工作的仿生機(jī)器人的研究極具發(fā)展?jié)摿?，而多足仿生機(jī)器人則成為其研究的一個(gè)熱點(diǎn)。但是在設(shè)計(jì)上也有一定的缺點(diǎn)：作為一款靈活移動(dòng)機(jī)器人，卻無(wú)法做到靈活的轉(zhuǎn)動(dòng)，在仿生螃蟹的基礎(chǔ)上沒(méi)有改善其無(wú)法靈活轉(zhuǎn)動(dòng)的缺點(diǎn)；在作用上功能比較單一；運(yùn)行的穩(wěn)定性不強(qiáng)；蟹鉗不能夠靈活?yuàn)A取物品；控制功能不完善等設(shè)計(jì)缺點(diǎn)。（圖1）

本發(fā)明提供了一種仿生螃蟹機(jī)器人：由WiFi 實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制，可以代替人工進(jìn)行取物，同時(shí)鉗子可以進(jìn)行模塊替換以實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)能夠更有效提高機(jī)器人的一體性。

1 基本設(shè)計(jì)方案

本次設(shè)計(jì)的仿生螃蟹清潔機(jī)器人是通過(guò)電機(jī)連接齒輪帶動(dòng)鏈條發(fā)力帶動(dòng)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)使其整體開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，并采用ROBO PRO 編程，能夠?qū)崿F(xiàn)藍(lán)牙控制、遙控控制。此設(shè)計(jì)共采用7 個(gè)電機(jī)，3 個(gè)限位開(kāi)關(guān)，1 個(gè)光敏傳感器。底盤(pán)兩個(gè)電機(jī)分別帶動(dòng)左右兩個(gè)曲柄搖桿運(yùn)動(dòng)；遇到垃圾物品時(shí)通過(guò)連接機(jī)械臂大臂的電機(jī)控制機(jī)械臂整體的升降（此處有兩個(gè)限位開(kāi)關(guān)，方位機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)過(guò)位，損傷機(jī)械臂），再通過(guò)控制機(jī)械臂的機(jī)械爪抓取物品，升起機(jī)械臂時(shí)觸碰限位開(kāi)關(guān)，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(jī)構(gòu)控制垃圾筐的升降。

1.1 機(jī)器人基本結(jié)構(gòu)

該仿生螃蟹機(jī)器人包括：行走驅(qū)動(dòng)部分，裝載部分，導(dǎo)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(shè)計(jì)利用絲杠傳動(dòng)從而帶動(dòng)傾斜臺(tái)，控制改變載物籃的傾斜度來(lái)進(jìn)行翻倒，且結(jié)構(gòu)緊湊，易于控制，又因?yàn)樵黾恿讼尬婚_(kāi)關(guān)，可以限制位置以保證設(shè)備安全。

②搖桿機(jī)構(gòu)。

本設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)部分采用Ⅲ級(jí)桿組的閉鏈五桿機(jī)構(gòu)，消除傳統(tǒng)仿生機(jī)械的多自由度，保留一個(gè)自由度，運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定，驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單，易于控制。其運(yùn)動(dòng)副為低副，低副兩運(yùn)動(dòng)副元素為面接觸，壓強(qiáng)較小，故可承受較大的載荷，且有利于潤(rùn)滑，磨損較??；另外其運(yùn)動(dòng)副的幾何形狀較簡(jiǎn)單，便于加工制造；在連桿機(jī)構(gòu)中，當(dāng)原動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律不變可用改變各構(gòu)件的相對(duì)長(zhǎng)度來(lái)使從動(dòng)件中得到不同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，可以用來(lái)達(dá)到擴(kuò)大行程和實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳動(dòng)等目的。

③機(jī)械臂。

關(guān)節(jié)式機(jī)械臂是一種適用于靠近機(jī)體操作的傳動(dòng)形式?？蓪?shí)現(xiàn)多個(gè)自由度，動(dòng)作比較靈活，適于在狹窄空間工作。通過(guò)電機(jī)齒輪控制機(jī)械臂的起降，同時(shí)控制更加便捷。

1.2 工作過(guò)程

行走驅(qū)動(dòng)：在控制面板上點(diǎn)擊“前”鍵，兩側(cè)腿部處電機(jī)19 正轉(zhuǎn)，通過(guò)齒輪鏈條16、17、18 將動(dòng)力傳遞到腿部大齒輪13 上，同側(cè)腿再通過(guò)大齒輪的齒輪鏈條13、14、15 嚙合以達(dá)到同側(cè)同步運(yùn)動(dòng)，再通過(guò)腿部曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，將齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為腿部擺動(dòng)，以達(dá)到爬行行走。反之，點(diǎn)擊控制面板上“后”鍵，電機(jī)19 反轉(zhuǎn)，將動(dòng)力通過(guò)齒輪鏈條17、18、19 傳遞到腿部大齒輪13 上，同側(cè)腿也通過(guò)大齒輪的齒輪鏈條13、14、15 以達(dá)到兩側(cè)同步運(yùn)動(dòng)。當(dāng)裝置正處于前或后的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，點(diǎn)擊控制面板上的“?！辨I，使電機(jī)19 停止轉(zhuǎn)動(dòng)，以停止驅(qū)動(dòng)電機(jī)來(lái)停止行走。同時(shí)在移動(dòng)過(guò)程中，可通過(guò)藍(lán)牙遙控器控制藍(lán)牙模塊連接的導(dǎo)向輪21上的舵機(jī)20，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)過(guò)程中的左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)。結(jié)構(gòu)如圖2、圖3 所示。

圖2 輪腿部分結(jié)構(gòu)圖解

圖3 導(dǎo)向部分結(jié)構(gòu)圖解

①由桿1、桿2、桿3、桿4、桿5、桿6 構(gòu)成一組曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。

②由桿7、桿8、桿9、桿10、桿11、桿12 構(gòu)成一組曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。

③各桿連接處內(nèi)部均有軸承保證其轉(zhuǎn)動(dòng)良好，兩兩連桿直接通過(guò)鉸制孔用螺栓連接保證其穩(wěn)定性。

夾取機(jī)械臂：在控制面板上點(diǎn)擊“鉗子”，（初始狀態(tài)默認(rèn)為鉗子閉合，鉗子由電機(jī)22 驅(qū)動(dòng)），電機(jī)22 正轉(zhuǎn)，絲杠24 轉(zhuǎn)動(dòng)，鉗子滑塊23 向前移動(dòng)，帶動(dòng)鉗子25 張開(kāi)，待張開(kāi)到需要的大小后，點(diǎn)擊“停鉗”，電機(jī)22 停止，絲杠24 停止轉(zhuǎn)動(dòng)，鉗子25 停止張開(kāi)并鎖定開(kāi)口大小。待控制裝置移動(dòng)到待夾取物時(shí)（通過(guò)控制面板上攝像頭反饋畫(huà)面觀察，物體到鉗子張口中心），再次點(diǎn)擊控制面板上的“鉗子”，使電機(jī)36 反轉(zhuǎn)，絲杠24 反向轉(zhuǎn)動(dòng)，鉗子滑塊23 向后移動(dòng)，帶動(dòng)鉗子25 閉合，待夾住物體后，點(diǎn)擊“停鉗”，使電機(jī)22停轉(zhuǎn)，鉗子停止閉合并鎖定開(kāi)口大小。再點(diǎn)擊控制面板上“臂”，電機(jī)32 正轉(zhuǎn)、電機(jī)30 反轉(zhuǎn)，再通過(guò)齒輪27 傳動(dòng)，帶動(dòng)小臂29 抬起，同時(shí)電機(jī)36 正轉(zhuǎn)，通過(guò)滾輪將線收束，使大臂26 抬起，待夾取物體的鉗子到達(dá)裝載籃后，點(diǎn)擊“停臂”，使電機(jī)36、30、32 停止轉(zhuǎn)動(dòng)。之后再點(diǎn)擊“鉗子”，使電機(jī)22 正轉(zhuǎn)，絲杠24 轉(zhuǎn)動(dòng)，鉗子滑塊23 向前移動(dòng)，帶動(dòng)鉗子25 張開(kāi)，待物體落入裝載籃后，點(diǎn)擊“停鉗”，電機(jī)22 停轉(zhuǎn)，鉗子25 停止張開(kāi)并鎖定開(kāi)口大小。再次點(diǎn)擊“臂”，電機(jī)32 反轉(zhuǎn)、電機(jī)30 正轉(zhuǎn)，再通過(guò)齒輪27 傳動(dòng)，使小臂29抬高，待延時(shí)兩秒后，電機(jī)34 反轉(zhuǎn)，通過(guò)滾輪34、35 反轉(zhuǎn)釋放線，又因?yàn)橹亓ψ饔?，臂自然放下，待大臂落至限位開(kāi)關(guān)31 處時(shí)，觸發(fā)后，電機(jī)36 停轉(zhuǎn)，防止?jié)L輪不停轉(zhuǎn)動(dòng)，將大臂26 重新拉上去。最后通過(guò)攝像頭觀察，待鉗子回到初始位置，點(diǎn)擊“停臂”，停止電機(jī)32、30 的轉(zhuǎn)動(dòng)。結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 夾取部分結(jié)構(gòu)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(diǎn)擊控制面板上“裝載籃”鍵，電機(jī)40 正轉(zhuǎn)，帶動(dòng)絲杠39 轉(zhuǎn)動(dòng)，使裝載籃滑塊38 向前移動(dòng)（此處前為裝載籃開(kāi)口方向），使裝載籃轉(zhuǎn)動(dòng)連接出42 傾角增大，通過(guò)滑塊38 不斷移動(dòng)，待到達(dá)極限位置，電機(jī)M1停轉(zhuǎn)，絲杠也停止轉(zhuǎn)動(dòng)，裝載籃滑塊38 停止移動(dòng)并被絲杠39 鎖死。之后再次點(diǎn)擊“裝載籃”，電機(jī)40 反轉(zhuǎn)，絲杠反向轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)裝載籃滑塊向后移動(dòng)，待移動(dòng)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(jī)40 停轉(zhuǎn)，絲杠39 也停止轉(zhuǎn)動(dòng)，由此回到初始裝載籃37 位置。結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 裝載部分結(jié)構(gòu)圖解

夜間照明：在外界光照強(qiáng)度高時(shí)，光電傳感器I3接收信號(hào)，照明燈O3、O4停止運(yùn)作（熄滅），當(dāng)外界光照強(qiáng)度下降時(shí)，光電傳感器I3接收信號(hào)，照明燈O3、O4開(kāi)始工作（亮起）。

1.3 動(dòng)力學(xué)分析

通過(guò)前面三步對(duì)機(jī)構(gòu)模型的建立以及分析，可以使用回放功能對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行回放，檢查干涉，查看測(cè)量和動(dòng)態(tài)測(cè)量，獲取軌跡曲線和運(yùn)動(dòng)包絡(luò)線以及創(chuàng)建轉(zhuǎn)移到Mechanica，有利于設(shè)計(jì)者了解機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)合理性、可行性等工程分析。在絲杠旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)滑塊平移的過(guò)程中，絲杠前端會(huì)承受壓力，同時(shí)絲杠螺旋線上表面會(huì)受到載荷。將絲杠材料定義為結(jié)構(gòu)鋼，在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中受到5N 方向軸向的壓力，最后通過(guò)受力分析可靠性。

2 軟件控制

行走驅(qū)動(dòng)控制：在控制臺(tái)上（電腦）點(diǎn)“前”“后”可對(duì)機(jī)器人發(fā)送前進(jìn)后退指令，通過(guò)EM1上M3M4電機(jī)正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)，點(diǎn)擊“?！笨勺孍M1上M3M4電機(jī)停止，從而使之前的前后運(yùn)動(dòng)過(guò)程停止。

夾取控制：點(diǎn)擊控制臺(tái)（電腦）的“鉗子”鍵，可使鉗子電機(jī)M3正轉(zhuǎn)，從而鉗子張開(kāi)，再點(diǎn)擊“停鉗”，使正轉(zhuǎn)停止。待鉗子運(yùn)動(dòng)到指定位置，再次點(diǎn)擊“鉗子”鍵，使鉗子電機(jī)M3反轉(zhuǎn)，鉗口收縮，直至夾住物體，再點(diǎn)擊“停鉗”，停止電機(jī)M3反轉(zhuǎn)。

機(jī)械臂控制：點(diǎn)擊控制臺(tái)（電腦）的“臂”鍵，使M4正轉(zhuǎn)，使機(jī)械臂大臂抬起至I4，觸發(fā)I4，使EM1上M1正轉(zhuǎn)M2反轉(zhuǎn)，使機(jī)械臂小臂抬起，待鉗子到達(dá)載物籃后，點(diǎn)擊“停臂”，使機(jī)械臂向上運(yùn)動(dòng)停止。再點(diǎn)擊“臂”鍵，使EM1上M1反轉(zhuǎn)M2正轉(zhuǎn)，機(jī)械臂小臂放下，延時(shí)兩秒后，M4反轉(zhuǎn)，直至觸發(fā)I5，機(jī)械臂下放動(dòng)作停止。

載物籃控制：點(diǎn)擊控制臺(tái)（電腦）上“載物籃”鍵，M1正轉(zhuǎn)，載物籃抬起，倒出載物籃中物體，到達(dá)I1后，觸發(fā)I1，M1正轉(zhuǎn)停止。再點(diǎn)擊“載物籃”，M1反轉(zhuǎn)，載物籃放下，直至到達(dá)I2，觸發(fā)I2，載物籃回歸原位。

夜間照明：當(dāng)外界環(huán)境為白天時(shí)，I3光電傳感器不觸發(fā)，照明燈O3O4不亮，當(dāng)外界環(huán)境為夜晚時(shí)，I3光電傳感器觸發(fā)，照明燈O3O4長(zhǎng)亮。

3 本設(shè)計(jì)技術(shù)優(yōu)勢(shì)

①實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，突破環(huán)境對(duì)人們行動(dòng)的限制，使其使用更加便民化、便捷化，在10 米范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。②可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)感光開(kāi)啟或關(guān)閉LED 燈，更加契合資源最大化利用、保護(hù)環(huán)境的要求，當(dāng)光照強(qiáng)度低于333Lx 可自動(dòng)開(kāi)啟夜間照明模式。③能實(shí)現(xiàn)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(dú)特運(yùn)動(dòng)方式，讓其不受環(huán)境的約束，同時(shí)能夠在平地、草地、沙地等特殊場(chǎng)地進(jìn)行作業(yè)。