摘要：基于現(xiàn)有仿生四足機(jī)器人仿形度不高的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種外形結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)機(jī)理與仿生對(duì)象高度相似，且具備多自由度腿足和軀干的仿生四足機(jī)器人。通過(guò)對(duì)仿生對(duì)象的分析和研究，得到了機(jī)器人的自由度、結(jié)構(gòu)模塊、外形尺寸等參數(shù)，并基于這些參數(shù)進(jìn)行頭部、軀干、尾部、四足等模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。對(duì)設(shè)計(jì)的機(jī)器人進(jìn)行受力分析，確定機(jī)器人整體和四足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。將設(shè)計(jì)的機(jī)器人加工制作并集成樣機(jī)系統(tǒng)，開展樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了機(jī)器人設(shè)計(jì)的正確性。

關(guān)鍵詞：仿生四足機(jī)器人;多自由度;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析;樣機(jī)測(cè)試

中圖分類號(hào)：TP242" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2023）15-0045-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.15.011

0" " 引言

隨著仿生機(jī)器人技術(shù)的飛速發(fā)展，各式各樣的仿生機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生，由于同時(shí)具有生物和機(jī)器人的特點(diǎn)，仿生機(jī)器人在反恐防爆、航空航天、軍事偵察、資源勘探、水下探測(cè)、疾病檢查以及搶險(xiǎn)救災(zāi)等不適合由人來(lái)承擔(dān)任務(wù)的環(huán)境中已經(jīng)逐漸凸顯出良好的應(yīng)用前景[1-3]?，F(xiàn)有的仿生機(jī)器人主要采用輪式[4]、腿式[5]、蛇形蠕動(dòng)式[6]、新型材料驅(qū)動(dòng)[7]等推進(jìn)方式，其中腿式機(jī)器人又因?qū)Φ匦蔚倪m應(yīng)性強(qiáng)而得到了最廣泛的應(yīng)用。但是現(xiàn)有的腿式仿生機(jī)器人在設(shè)計(jì)時(shí)簡(jiǎn)化了腿部、軀干的自由度，外形上沒(méi)有與真實(shí)仿生對(duì)象的輪廓接近，只對(duì)其進(jìn)行功能仿生，因此這類仿生機(jī)器人只適用于規(guī)則地形，對(duì)復(fù)雜地形環(huán)境的適應(yīng)性弱。同時(shí)，外形結(jié)構(gòu)與仿生對(duì)象的差異性，導(dǎo)致其無(wú)法融入任務(wù)執(zhí)行環(huán)境中，不能執(zhí)行對(duì)偽裝性和隱蔽性要求較高的偵察、監(jiān)測(cè)等任務(wù)，這就大大縮小了仿生機(jī)器人的使用范圍。

因此，本文提出以具有復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)能力的蠑螈為仿生原型，設(shè)計(jì)一種具備多自由度腿足和軀干的高仿生性機(jī)器人，并從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、受力分析、加工組裝、樣機(jī)試驗(yàn)等方面著手，驗(yàn)證了機(jī)器人設(shè)計(jì)的正確性。

1" " 機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械結(jié)構(gòu)是機(jī)器人系統(tǒng)的基礎(chǔ)，為保證機(jī)器人具有良好的動(dòng)態(tài)特性和仿生結(jié)構(gòu)，根據(jù)蠑螈仿生學(xué)相關(guān)的理論知識(shí)研究[8]，并對(duì)其外形結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得到機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)的外形輪廓。在頭部、軀干、尾部的設(shè)計(jì)中使其外形輪廓尺寸與真實(shí)蠑螈的外形一致，同時(shí)在觀測(cè)蠑螈的爬行后，確定了機(jī)器人的自由度為25，其中單足采用4自由度結(jié)構(gòu)，頭部具有橫向擺動(dòng)的自由度，軀干為滿足身體扭動(dòng)采用5自由度結(jié)構(gòu)，尾部在快速爬行時(shí)會(huì)有橫向和縱向擺動(dòng)，為簡(jiǎn)化控制難度，只設(shè)計(jì)2個(gè)橫向擺動(dòng)的主動(dòng)自由度，自由度分布如圖1所示。

根據(jù)蠑螈外形結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)機(jī)理，按照仿生機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求，將仿蠑螈機(jī)器人分為四足、尾部、軀干、頭部等四個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.1" " 腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

四足機(jī)器人腿部是其支撐、運(yùn)動(dòng)的核心部件，其結(jié)構(gòu)應(yīng)該滿足：1）具有足夠的強(qiáng)度、剛度，能支撐身體并承受一定負(fù)載;2）爬行時(shí)滿足仿生步態(tài)需求，并有足夠的自由度和活動(dòng)空間;3）控制簡(jiǎn)單。

根據(jù)上述要求設(shè)計(jì)了一種串聯(lián)式4自由度機(jī)械腿，其中髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)處各有2個(gè)自由度，如圖2所示。整體結(jié)構(gòu)由4個(gè)舵機(jī)（舵機(jī)參數(shù)如表1所示）、髖關(guān)節(jié)電機(jī)連接件、大腿關(guān)節(jié)連接件、小腿關(guān)節(jié)連接件構(gòu)成，各零部件采用開環(huán)連接，擁有更大的運(yùn)動(dòng)空間和更強(qiáng)的地形適應(yīng)性。

1.2" " 軀干和尾部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

軀干和尾部主要由仿生脊椎連接件、前腿連接件、后腿連接件、尾部隨動(dòng)板和舵機(jī)構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。蠑螈脊椎結(jié)構(gòu)前肢到后肢間共13個(gè)關(guān)節(jié)[8]，因機(jī)器人軀干體積狹小，不宜過(guò)多設(shè)置主動(dòng)自由度，同時(shí)自由度越多控制難度越大，在滿足仿生運(yùn)動(dòng)功能性要求和簡(jiǎn)易控制要求下，軀干采用5自由度結(jié)構(gòu)，各驅(qū)動(dòng)舵機(jī)采用仿生脊椎連接件串聯(lián)，尾部采用2個(gè)自由度實(shí)現(xiàn)橫向擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。

1.3" " 頭部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

頭部外形結(jié)構(gòu)按蠑螈實(shí)際外形設(shè)計(jì)，內(nèi)部提供安裝視覺(jué)、雷達(dá)、激光等傳感器位置，可用來(lái)實(shí)現(xiàn)避障、拍攝、監(jiān)測(cè)等功能，其外形結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.4" " 整體結(jié)構(gòu)

將設(shè)計(jì)好的各部分零件組裝好后，得到機(jī)器人的整體三維模型，如圖4所示，其主要由頭部模塊、軀干模塊、四足模塊、尾部模塊等部分構(gòu)成。

2" " 四足受力分析

機(jī)器人的靜力學(xué)分析是設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中極為重要的一環(huán)，考慮到舵機(jī)、各關(guān)節(jié)連接件以及其他微小部分外形較為復(fù)雜，且蠑螈四足機(jī)器人均為剛性連接，所以本文采用剛性桿代替各個(gè)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)來(lái)分析其受力。機(jī)器人前后腿結(jié)構(gòu)尺寸相同，且四足均與軀干剛性連接，前腿支撐點(diǎn)距軀干中心平面的距離比后腿要大，因此以前腿各關(guān)節(jié)位置的受力分析為例對(duì)四足的關(guān)節(jié)進(jìn)行分析。

對(duì)機(jī)器人初始狀態(tài)下的前腿結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，如圖5（a）所示。分析時(shí)假設(shè)：1）機(jī)器人前進(jìn)方向?yàn)閅方向，髖關(guān)節(jié)、大腿、小腿簡(jiǎn)化為連桿，忽略足端與地面間的側(cè)向摩擦力;2）A、B、C、D和E、F、G、H為前腿4個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)位置，M、N為與地面的接觸點(diǎn)，髖關(guān)節(jié)距軀干中心平面的距離、髖關(guān)節(jié)、大腿、小腿的長(zhǎng)度分別表示為L(zhǎng)、L1、L2、L3;3）以腿1為例進(jìn)行分析，關(guān)節(jié)A和關(guān)節(jié)C在當(dāng)前靜止?fàn)顟B(tài)下的轉(zhuǎn)動(dòng)方向不在該平面，且兩處的轉(zhuǎn)動(dòng)大部分出現(xiàn)在抬腿后的運(yùn)動(dòng)，因此將A和C處的關(guān)節(jié)等效為連接件，只分析關(guān)節(jié)B和D處的力和力矩。簡(jiǎn)化后的單腿受力分析如圖5（b）所示。

將表2中的參數(shù)代入式（8）可以計(jì)算出FBmax=7.41 N、FDmax=8.15 N、MBmax=51.04 N·cm、MDmax=38.44 N·cm，其關(guān)節(jié)扭矩值小于舵機(jī)的額定扭矩值55 N·cm，且遠(yuǎn)小于其堵轉(zhuǎn)扭矩的峰值165 N·cm。因此，機(jī)器人四足的電機(jī)選型滿足要求。

3" " 機(jī)器人組裝與實(shí)驗(yàn)分析

3.1" " 機(jī)器人組裝

設(shè)計(jì)過(guò)程中各支撐件和外殼零件均采用仿生設(shè)計(jì)，外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜且曲面較多，采用3D打印加工的方式得到各支撐件和外殼體。將各模塊組裝后再進(jìn)行整體裝配，得到如圖6所示的機(jī)器人樣機(jī)。

3.2" " 機(jī)器人實(shí)驗(yàn)分析

組裝完成的機(jī)器人采用STM32控制板進(jìn)行調(diào)試，左前腿、右前腿、左后腿、右后腿分別標(biāo)記為1、2、3、4號(hào)腿?？紤]到復(fù)雜環(huán)境運(yùn)動(dòng)的魯棒性，采用靜步態(tài)作為機(jī)器人實(shí)驗(yàn)測(cè)試的主步態(tài)。爬行邁步順序按照排列組合存在共A3 4=24種，不同爬行順序的占空比系數(shù)不同，McGhee[9]對(duì)不同擺腿順序的步態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行的分析指出，四足機(jī)器人只存在6種靜態(tài)穩(wěn)定步態(tài)。本文結(jié)合仿生蠑螈爬行時(shí)的抬腿順序，采用4-2-

3-1的抬腿順序，機(jī)器人四條腿按照順序4-2-3-1各擺動(dòng)一次即為一個(gè)步態(tài)周期。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，運(yùn)動(dòng)速度隨步距不同有所差異，設(shè)定周期內(nèi)運(yùn)動(dòng)距離為1/4體長(zhǎng)，將其放置在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試，如圖7所示。首先，開機(jī)后機(jī)器人進(jìn)入初始狀態(tài)，接著以腿1、2、3為支撐相，腿4往前運(yùn)動(dòng)，同時(shí)軀干往擺動(dòng)腿側(cè)內(nèi)彎，四足各關(guān)節(jié)同步協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，以增大爬行的步距，如圖7（a）所示。其次，以腿1、3、4為支撐相，腿2擺動(dòng)，軀干由彎曲狀態(tài)往回調(diào)整接近直線，完成爬行第二步，如圖7（b）所示。然后，以腿1、2、4為支撐相，腿3前伸，軀干往擺動(dòng)側(cè)內(nèi)彎，完成第三步，如圖7（c）所示。最后，腿2、3、4為支撐相，腿1擺動(dòng)，軀干往回?cái)[動(dòng)接近直線，完成周期內(nèi)的最后一步，如圖7（d）所示。如此往復(fù)便可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的爬行運(yùn)動(dòng)，爬行運(yùn)動(dòng)速度則受舵機(jī)性能限制，在保證機(jī)體穩(wěn)定的前提下測(cè)得實(shí)際最大運(yùn)動(dòng)速度為0.08 m/s。

將機(jī)器人放置在戶外復(fù)雜地形環(huán)境中，在頭部搭載超聲波模塊和攝像頭模塊后分別進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)，如圖8所示。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中機(jī)器人及各模塊均能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，能夠滿足機(jī)器人戶外探測(cè)、救援等任務(wù)的需求。

4" " 結(jié)論

本文以仿生機(jī)械學(xué)為手段，設(shè)計(jì)了一種外形結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)機(jī)理高度仿生的四足機(jī)器人，其結(jié)構(gòu)上具有仿形化的頭部模塊、軀干模塊、尾部模塊和四足模塊，且四足和軀干采用多自由度結(jié)構(gòu)，具備更好的仿生外形和運(yùn)動(dòng)形式。對(duì)設(shè)計(jì)的機(jī)器人進(jìn)行受力分析，得到關(guān)鍵零部件的受力狀態(tài)，并為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型提供參考。對(duì)設(shè)計(jì)的機(jī)器人進(jìn)行加工制作，制成樣機(jī)后開展了運(yùn)動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該機(jī)器人能夠按照設(shè)計(jì)的目標(biāo)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，進(jìn)一步驗(yàn)證了機(jī)器人設(shè)計(jì)的正確性。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 王國(guó)彪，陳殿生，陳科位，等.仿生機(jī)器人研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2015，51（13）：27-44.

[2] 門寶，范雪坤，陳永新.仿生機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)研究[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2019（5）：15-19.

[3] BAI X J，SHANG J Z，LUO Z R，et al.Development of amphibious biomimetic robots[J].Journal of Zhejiang University-SCIENCE A，2022，23（3）：157-187.

[4] HARKINS R，WARD J W，VAIDYANATHAN R，et al.Design of an autonomous amphibious robot for surf zone operations：part II-hardware，control implementation and simulation[C]// 2005 IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics，2005：1465-1470.

[5] HUTTER M，GEHRING C，JUD D，et al.ANYmal-a highly mobile and dynamic quadrupedal robot[C]// 2016 IEEE/RSJ international conference on intelligent robots and systems （IROS），2016：38-44.

[6] CRESPI A，KARAKASILIOTIS K，GUIGNARD A，et al.Salamandra robotica II：an amphibious robot to study salamander-like swimming and walking gaits[J].IEEE Transactions on Robotics，2013，29（2）：308-320.

[7] FAUDZI A A M，RAZIF M R M，ENDO G，et al.Soft-amphibious robot using thin and soft mckibben actuator[C]// 2017 IEEE International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics （AIM），2017：981-986.

[8] KARAKASILIOTIS K，SCHILLING N，CABELGUEN J M，et al.Where are we in understanding salamander locomotion：biological and robotic perspectives on kinematics[J].Biological Cybernetics，2013，107：529-544.

[9] MCGHEE R B，F(xiàn)RANK A A.On the stability properties of quadruped creeping gaits[J].Mathematical Biosciences，1968，3：331-351.

收稿日期：2023-04-06

作者簡(jiǎn)介：周逸飛（2001—），男，湖南邵陽(yáng)人，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。

通信作者：曾欽（1990—），男，湖南益陽(yáng)人，博士，講師，研究方向：智能仿生機(jī)器人。