仿生蜘蛛探尋機器人設計

孫祖威，張文廷，李曉丹，王博雨，燕文俊

(遼寧工業(yè)大學，遼寧 錦州 121001)

0 引言

隨著科技的發(fā)展，各式各樣的機器人開始代替人類去完成日常甚至危險的工作，其中應用較為廣泛的機器人有多足式機器人和輪式、履帶式機器人。多足式步行機器人的運動軌跡是一些離散點，而輪式、履帶式機器人的運動軌跡是連續(xù)的線，在一些復雜地形情況中，多足式機器人的適應性更強，因此多足式機器人也成為了機器人學研究領域中的熱點[1]。

國內(nèi)已在步行機器人領域中取得了一定的研究成果，設計出了許多具有代表性的機器人，如哈爾濱工業(yè)大學的類豹型機器人[2]、山東大學的液壓步行機器人[3]等，從這些具有代表性的多足式步行機器人的研究過程中可以發(fā)現(xiàn)，其研究的重點在于實現(xiàn)高承載、高速以及低功耗等一些特性，而這些特性的實現(xiàn)所依靠的是復雜的腿部結(jié)構(gòu)以及控制算法。因此，本文設計一種由曲軸、連桿以及其他部件組合而成的多足隨動式仿生蜘蛛探尋機器人，其結(jié)構(gòu)簡單且運動可靠，大大降低了多足式機器人的結(jié)構(gòu)及控制復雜度。

1 仿生蜘蛛探尋機器人設計

1.1 仿生蜘蛛探尋機器人方案設計

結(jié)合蜘蛛爬行動作中的幾個階段以及對多足式步行機器人步態(tài)的分析，使用SolidWorks軟件建立了仿生蜘蛛探尋機器人的三維模型并進行了運動仿真，設計出了一款結(jié)構(gòu)簡單、運動可靠，且多個足端能夠隨動的仿生蜘蛛探尋機器人。

該仿生蜘蛛探尋機器人能夠通過馬達帶動主齒輪及連桿和曲軸進行運動，可以模仿蜘蛛爬行動作以完成基本的爬行，能通過控制舵機以控制仿生蜘蛛探尋機器人前端夾爪的動作，以實現(xiàn)簡單的搬運功能。仿生蜘蛛探尋機器人的三維模型圖如圖1所示。

圖1 仿生蜘蛛探尋機器人三維模型圖

1.2 仿生蜘蛛探尋機器人結(jié)構(gòu)設計

仿生蜘蛛探尋機器人主要由動力源、傳動部件、夾爪及腿部零件等組成。仿生蜘蛛探尋機器人的三維結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

1—夾爪；2—動力源；3—腿部零件；4—傳動部件。

1.3 仿生蜘蛛探尋機器人腿部設計

1.3.1 腿部零件設計

腿部零件設計如圖3所示。

1—連桿安裝孔；2—曲軸安裝孔。

其中，連桿安裝孔用于安裝連桿，仿生蜘蛛探尋機器人的腿部零件有8個，同時連桿的個數(shù)也為8個；曲軸安裝孔用于安裝曲軸，曲軸的個數(shù)為4個。

1.3.2 連桿設計

連桿設計如圖4所示。

1—腿部零件安裝處；2—主安裝板安裝孔。

其中，凸起結(jié)構(gòu)用于腿部零件的安裝，其與圖3腿部零件的連桿安裝孔相配合；安裝孔安裝在主安裝板上，使連桿及與其相配合的腿部零件繞一個中心軸做弧形非圓周運動。

1.3.3 曲軸設計

曲軸是實現(xiàn)多足隨動的主要部件，為了使結(jié)構(gòu)可靠，將其設計為齒輪軸的形式，如圖5所示。

1—齒輪；2—軸段一；3—軸段二；4—軸段三。

其中，軸段一用于齒輪的定位安裝，安裝在主安裝板上；軸段二用于安裝前后交錯的腿部零件中靠近齒輪的那一個腿部零件，其與圖3腿部零件中的曲軸安裝孔相配合；軸段三用于安裝前后交錯的腿部零件中靠近主安裝板的那一個腿部零件，配合關系同軸段二。

1.3.4 腿部整體結(jié)構(gòu)

腿部及其零件整體的安裝效果如圖6所示。

1—主安裝板；2—連桿；3—腿部零件；4—曲軸。

1.4 仿生蜘蛛探尋機器人傳動部件設計

仿生蜘蛛探尋機器人在運動過程中需要將動力源產(chǎn)生的動力平穩(wěn)地傳動到各個腿部零件上，并且需要將速度降至合適的區(qū)間內(nèi)，而齒輪的優(yōu)點便是傳動平穩(wěn)且傳動比可自行設計，并且結(jié)構(gòu)緊湊，適用于仿生蜘蛛探尋機器人，因此采用齒輪組進行傳動，如圖7所示。

1—曲軸齒輪；2—傳動齒輪；3—動力齒輪。

其中，曲軸上的齒輪齒數(shù)為31，傳動齒輪的齒數(shù)為18，動力齒輪的齒數(shù)為26，經(jīng)計算，該齒輪組的中心距及傳動比均滿足要求。

1.5 仿生蜘蛛探尋機器人夾爪的設計

仿生蜘蛛探尋機器人的夾爪設計如圖8所示。

圖8 夾爪

夾爪的設計可使仿生蜘蛛探尋機器人進行一些簡單的夾取與搬運。

1.6 仿生蜘蛛探尋機器人控制流程

仿生蜘蛛探尋機器人由STM32系列單片機中的STM32F103型號單片機進行控制。仿生蜘蛛探尋機器人行走及夾取動作通過由STM32單片機控制2個直流電機以及1個舵機來完成。工作時，直流電機帶動動力齒輪轉(zhuǎn)動，動力齒輪帶動傳動齒輪，傳動齒輪帶動曲軸齒輪，曲軸齒輪帶動腿部上裝置的連桿機構(gòu)以帶動2只腿運動，另外2只腿則是需要齒輪組中另一側(cè)的齒輪來帶動，2條腿同時裝配了連桿機構(gòu)，機器人前端的夾爪則是需要使用舵機來帶動。仿生蜘蛛探尋機器人的控制系統(tǒng)原理圖如圖9所示。

圖9 仿生蜘蛛探尋機器人控制系統(tǒng)原理圖

2 仿生蜘蛛探尋機器人運動仿真

使用SolidWorks軟件的運動仿真功能對仿生蜘蛛探尋機器人進行了運動仿真，仿生蜘蛛探尋機器人的行走過程并不復雜，本次仿真主要針對仿生蜘蛛探尋機器人的行走過程。運動仿真過程中部分重要的動作如圖10所示。

(a)靠后四腿落地

(b)靠后四腿抬起1/3

(c)靠后四腿抬起2/3

(d)靠后四腿全部抬起

由圖10可知，仿生蜘蛛探尋機器人在行走時的動作與蜘蛛的爬行動作相似，且在結(jié)構(gòu)上并無干涉，說明設計方案可行。

3 結(jié)語

通過SolidWorks軟件對仿生蜘蛛探尋機器人進行三維建模與運動仿真。結(jié)果證明，仿生蜘蛛探尋機器人原理可行，在運動時，結(jié)構(gòu)上并無干涉。從仿生蜘蛛探尋機器人的行走等動作中可看出其良好的協(xié)調(diào)性和靈活性。由于具有廣闊的應用前景和實用性能，仿生蜘蛛探尋機器人將在未來諸多領域發(fā)揮重要作用。