多功能六足輪腿式機(jī)器人設(shè)計(jì)

李沛軒

摘 要：本文通過模擬足形昆蟲腿結(jié)構(gòu)，并且結(jié)合輪式機(jī)器人的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種多功能輪腿式六足機(jī)器人。該機(jī)器人具有足式行走和輪式行走兩種方式，提高了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)效率；機(jī)器人兩個(gè)足可以轉(zhuǎn)換為操作臂，并設(shè)計(jì)了操作臂末端夾持器，實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的夾取。對(duì)機(jī)器人電子控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并通過增添多種外圍設(shè)備豐富機(jī)器人的功能。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人；輪腿式；電子控制

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0.引言

機(jī)器人是給人提供方便或拓展人活動(dòng)范圍的工具：提供方便，諸如掃地機(jī)器人；拓展人的活動(dòng)范圍，諸如科考類機(jī)器人。在自然和人類社會(huì)中，存在一些人類無法到達(dá)的地方及不適合人類達(dá)到的場(chǎng)合，如災(zāi)難發(fā)生的礦井、防災(zāi)救援和反恐等。

與雙足和四足機(jī)器人相比，六足和八足機(jī)器人具有獨(dú)特的非連續(xù)支撐行走方式，即在某條腿失穩(wěn)情況下機(jī)器人仍具有良好的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，同時(shí)具有不同的步態(tài)以應(yīng)對(duì)不同的地形環(huán)境；與八足機(jī)器人相比，六足具有相對(duì)簡單的機(jī)械結(jié)構(gòu)，同時(shí)也使得控制算法生成較方便可以預(yù)見，這些優(yōu)點(diǎn)將使六足機(jī)器人成為在復(fù)雜環(huán)境下機(jī)器人作業(yè)的最佳選擇。同時(shí)，采用六足在需要時(shí)可將其中的兩足轉(zhuǎn)化成操作臂，進(jìn)行手臂操作。因此，對(duì)六足機(jī)器人的研究具有深遠(yuǎn)的理論價(jià)值和工程應(yīng)用意義。

因此課題進(jìn)行研究的是一款陸地移動(dòng)機(jī)器人——多功能六足輪腿式機(jī)器人。所述多功能六足輪腿式機(jī)器人，輪腿融合并且腿臂可轉(zhuǎn)換，將在救援行動(dòng)和探測(cè)活動(dòng)中得到廣泛應(yīng)用；如果在機(jī)器人上搭載更多的模塊，其將具有更多的功能并可以被應(yīng)用在更多的領(lǐng)域中。

1.機(jī)器人機(jī)械本體設(shè)計(jì)

1.1 六足輪腿設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)昆蟲生理結(jié)構(gòu)的分析，根據(jù)仿生學(xué)的知識(shí)設(shè)計(jì)了如圖1中左圖所示六足機(jī)器人。該機(jī)器人由6條腿和機(jī)器人本體構(gòu)成，6條腿分別分布在機(jī)器人本體兩側(cè)，每側(cè)三條腿?，F(xiàn)在以編號(hào)為②的腿進(jìn)行腿部結(jié)構(gòu)的詳細(xì)介紹。腿部由連桿CE、CB、AB組成，在C、B、A處分別通過轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，腿在A處通過轉(zhuǎn)動(dòng)副與主體相連。在這一腿部機(jī)構(gòu)中CE最長、CB長度中等、BA長度最短，以此模擬六足類昆蟲腿部的真實(shí)情況，便于模擬昆蟲實(shí)際運(yùn)動(dòng)方式。

對(duì)機(jī)器人腿的自由度進(jìn)行分析，以腿②為例，該腿部機(jī)構(gòu)中，活動(dòng)構(gòu)件數(shù)為3，運(yùn)動(dòng)副中低副的個(gè)數(shù)為3，高副的個(gè)數(shù)為0，因此該機(jī)構(gòu)的自度為：

F=3n-2Pl-Ph=3×3-2×3-1×0=3

因此該腿部機(jī)構(gòu)的自由度為3，要使連桿AB、BC、CE獲得確定的運(yùn)動(dòng)，需要增添3個(gè)驅(qū)動(dòng)。因此在A、B、C三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副處添加電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，即通過控制3個(gè)電動(dòng)機(jī)即可使整個(gè)機(jī)構(gòu)如昆蟲的足一樣前后移動(dòng)，同理剩余的5條腿也是如此運(yùn)動(dòng)。至此，基于模擬昆蟲運(yùn)動(dòng)，完成了六足機(jī)器人機(jī)械本體的設(shè)計(jì)。

由于機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)的需求，需要在到達(dá)指定位置時(shí)進(jìn)行一些抓取操作。但為了進(jìn)行抓取操作再增添操作臂則顯得太過于復(fù)雜，因此將機(jī)器人腿與操作臂進(jìn)行結(jié)合設(shè)計(jì)，機(jī)器人前部的腿①與腿⑥可以轉(zhuǎn)換成機(jī)械臂，后部的4條腿用于支撐，將前部的腿轉(zhuǎn)換成操作臂進(jìn)行抓取操作。

設(shè)計(jì)的機(jī)器人通過機(jī)械腿和輪式結(jié)構(gòu)進(jìn)行移動(dòng)，前部的兩條腿可以轉(zhuǎn)換成機(jī)械臂進(jìn)行夾持操作。在平緩的公路上機(jī)器人可以通過輪式結(jié)構(gòu)移動(dòng)，在崎嶇的路面上可以通過機(jī)械足進(jìn)行移動(dòng)，這樣的設(shè)計(jì)大大提高了移動(dòng)效率。

1.2 操作臂設(shè)計(jì)

如2.1所述，腿①與腿⑥可以從腿部結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為操作臂，在腿部結(jié)構(gòu)的末端F處可以增添夾持手。設(shè)計(jì)該夾持機(jī)構(gòu)時(shí)以結(jié)構(gòu)簡單、能進(jìn)行簡單操作為原則，在設(shè)計(jì)時(shí)模擬螃蟹的夾持手。

根據(jù)仿生學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)如圖2所示的夾持手，該夾持手由上下兩部分對(duì)稱的夾持指組成，下面以上部夾持指為例進(jìn)行詳細(xì)的說明。該夾持手由連桿OJ、JL、NK組成在O、J、K、N處分別通過轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，O、N處轉(zhuǎn)動(dòng)副與夾持手基座相連。下部夾持指的結(jié)構(gòu)與上部夾持手完全一樣。上下兩個(gè)夾持指通過兩個(gè)齒輪連接，兩個(gè)齒輪分別與連桿OJ、PH固連，即齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)兩個(gè)連桿也隨之一起運(yùn)動(dòng)。

對(duì)該夾持機(jī)構(gòu)的自由度進(jìn)行分析，以便確定原動(dòng)件數(shù)目，以及需要多少電機(jī)驅(qū)動(dòng)。該機(jī)構(gòu)中，活動(dòng)構(gòu)件數(shù)為6，運(yùn)動(dòng)副中低副的個(gè)數(shù)為8，高副的個(gè)數(shù)為1，因此該機(jī)構(gòu)的自度為：

F=3n-2Pl-Ph=3×6-2×8-1×1=1

因此該機(jī)構(gòu)的自由度為1，需要一個(gè)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。在轉(zhuǎn)動(dòng)副O(jiān)處增添電機(jī)，使齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)連桿OJ轉(zhuǎn)動(dòng)；通過嚙合的齒輪使得下部連桿PH也轉(zhuǎn)動(dòng)，最終即可實(shí)現(xiàn)夾持指末端LM的張開和夾緊，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的抓取操作。夾持手通過灰色框線表示的夾持手基座與機(jī)器人足末端相連。當(dāng)LM接觸，即夾持指并攏時(shí)作為機(jī)器人足可以行走；當(dāng)腿①、⑥抬起時(shí)，即可進(jìn)行抓取操作。至此，完成了六足機(jī)器人操作臂夾持手的設(shè)計(jì)。

2.機(jī)器人電子控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 電子系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

為了能夠讓機(jī)器人有運(yùn)動(dòng)的能量，需要在機(jī)器人本體上布置電池功能模塊；為了控制各個(gè)電機(jī)按照指定指令運(yùn)動(dòng)，需要布置電機(jī)控制器模塊；為了對(duì)機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程控制、與外部環(huán)境進(jìn)行交互，需要在機(jī)器人上增添一些外圍交互設(shè)備。

機(jī)器人電子系統(tǒng)整體如圖3所示，驅(qū)動(dòng)電機(jī)布置在各個(gè)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)處，通過線纜與電機(jī)控制器相連；其他電子設(shè)備均集中安放在機(jī)器人本體處。機(jī)器人本體分為上中下3層，分別為外圍設(shè)備、控制器和電池。

2.2 控制及交互設(shè)計(jì)

對(duì)電機(jī)控制、外圍設(shè)備等各部分進(jìn)行詳細(xì)地設(shè)計(jì)說明。

電機(jī)控制模塊：電機(jī)安裝在各個(gè)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)處。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)有自主和遠(yuǎn)程控制兩種運(yùn)動(dòng)模式，自主運(yùn)動(dòng)模式是不需要外界實(shí)時(shí)給機(jī)器人運(yùn)動(dòng)指令，機(jī)器人可以自行運(yùn)動(dòng)；遠(yuǎn)程控制是通過遠(yuǎn)程控制軟件實(shí)時(shí)給機(jī)器人發(fā)送運(yùn)動(dòng)指令。同時(shí)還可以控制機(jī)器人前部的兩個(gè)腿變換為操作臂，并通過末端的夾持器實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的夾取。

語音與圖像交互模塊：麥克風(fēng)與攝像頭安裝在機(jī)器人本體最上層，通過麥克風(fēng)、攝像頭可進(jìn)行語音和圖像的交流。災(zāi)害發(fā)生需要救援被困人員時(shí)，可以讓機(jī)器人進(jìn)入一些人無法進(jìn)入的狹小空間。

手勢(shì)識(shí)別及地圖重建模塊：增添現(xiàn)有的一些3D體感攝像機(jī)，通過攝像機(jī)捕捉并分析得到人手的手勢(shì)動(dòng)作，將捕捉到的手勢(shì)與之前程序中預(yù)設(shè)的進(jìn)行比對(duì)，再讓機(jī)器人進(jìn)行相應(yīng)的操作。無線模塊：在機(jī)器人本體最上層安裝天線，通過此天線實(shí)現(xiàn)機(jī)器人各種外圍設(shè)備、電機(jī)控制器與遠(yuǎn)程控制軟件之間的通信；遠(yuǎn)程控制可以通過電腦控制程序?qū)崿F(xiàn)。

結(jié)論

本文運(yùn)用仿生學(xué)的知識(shí)，通過模擬足形昆蟲腿式結(jié)構(gòu)，并且結(jié)合輪式機(jī)器人的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種多功能輪腿式六足機(jī)器人。該機(jī)器人可采用足式與和輪式兩種行走方式在兩個(gè)足末端安裝有夾持手可進(jìn)行抓取操作。通過安裝3D體感攝像機(jī)等外圍設(shè)備，實(shí)現(xiàn)與外部的語音圖像交互以及手勢(shì)操控、地圖重建等功能。所設(shè)計(jì)的機(jī)器人結(jié)構(gòu)新穎、功能豐富，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

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