李 博 周佳俊 周 宇 陳泓宇 張士順 劉帥文 李 碩

（河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471003）

1 項(xiàng)目背景

我國(guó)仿生科技的發(fā)展已經(jīng)接近60 年的歷史，仿生學(xué)思想是我們?nèi)祟愒谏飳W(xué)和人類之間架起的一座橋梁，我們?nèi)祟愅ㄟ^(guò)學(xué)習(xí)并運(yùn)用生物學(xué)的相關(guān)原理，使我們不僅滿足了自己的需求，同時(shí)也適應(yīng)了自然的需要。我們?cè)O(shè)計(jì)的仿生智能蜘蛛機(jī)器人，不僅可以更好的學(xué)習(xí)蜘蛛的運(yùn)動(dòng)方式，且在現(xiàn)有的蜘蛛機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)普通行走和爬墻的功能上，又增加了一種攀爬樹(shù)干的功能。

2 全地形智能蜘蛛機(jī)器人概況

如圖1，蜘蛛機(jī)器人本身以鋁金屬作為框架，六個(gè)足部用24 個(gè)SR518 雙軸舵機(jī)，具有較大的扭矩，足以支撐整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，蜘蛛機(jī)器人的身體上主要有小型攝像頭和樹(shù)莓派控制板，可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化和半自動(dòng)化的模式切換。半自動(dòng)情況下，可以通過(guò)樹(shù)莓派與手機(jī)通信連接，可直接通過(guò)手機(jī)控制蜘蛛機(jī)器人實(shí)現(xiàn)在地面上的前進(jìn)，后退等基本運(yùn)動(dòng)功能，也可通過(guò)手機(jī)觀察攝像頭的畫(huà)面，可以幫助人類觀察一些危險(xiǎn)地段的內(nèi)部情況。全自動(dòng)情況下，蜘蛛機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障，自動(dòng)到達(dá)目的地的功能，實(shí)現(xiàn)蜘蛛機(jī)器人自主完成任務(wù)的能力。

2.1 軀干設(shè)計(jì)

由于蜘蛛機(jī)器人的整個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不需要對(duì)軀干部份有特別的需求，所以我們主要以鋁合金材料作為蜘蛛機(jī)器人的整體軀干，鋁合金質(zhì)量較輕，能夠大大降低整個(gè)機(jī)器人的質(zhì)量，且鋁合金較為柔軟，強(qiáng)度優(yōu)良，以及可加工性能好均是能夠勝任我們材料選擇的原因。如圖2，整體軀干呈近菱形，兩頭窄，中間寬的設(shè)計(jì)方式可以減少六條腿之間的相互碰撞，使整個(gè)機(jī)器人更加穩(wěn)定[1]。

圖2 軀體為類菱形結(jié)構(gòu)

在軀干和腿連接的部分，我們?yōu)榱朔乐雇鹊母吭谶M(jìn)行左右移動(dòng)的過(guò)程中和軀體產(chǎn)生碰撞，導(dǎo)致腿部無(wú)法完成正常的左右旋轉(zhuǎn)，如圖3，我們以腿根部的旋轉(zhuǎn)軸為旋轉(zhuǎn)中心，向軀體內(nèi)設(shè)計(jì)了一個(gè)類半圓形凹槽，來(lái)保證腿根部的正常旋轉(zhuǎn)。

圖3 半圓凹槽

同時(shí)為了能夠固定腿根部舵機(jī)的安裝，我們?cè)O(shè)計(jì)了懸空框架，分為上框架和下框架，如圖4，5 所示，上框架是按照軀體以近菱形的形狀設(shè)計(jì)而成，在與腿根部舵機(jī)安裝的部位，設(shè)計(jì)了一個(gè)以旋轉(zhuǎn)軸為旋轉(zhuǎn)中心的U 型連接凹槽[2]，能夠完美的連接腿根部舵機(jī)，與軀干凹槽形成配合，同時(shí)U 型連接槽的設(shè)計(jì)相比較圓形連接槽能夠減少用料，減輕整個(gè)產(chǎn)品質(zhì)量，減低加工難度，且能與舵機(jī)完全連接，保證整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)的正常使用。下框架除了設(shè)計(jì)有與上框架相同的結(jié)構(gòu)，在下框架中，我們還增加了三根橫梁，用來(lái)增加橫向強(qiáng)度，增加下框架的受力能力，可以承受整個(gè)機(jī)器人在行走過(guò)程中腿根部向下的力。

圖4 上框架

軀干內(nèi)部搭載了4 代樹(shù)莓派4b，該主板具有四核CPU 處理器，具有較快的處理能力，完全可以勝任機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)計(jì)算要求，同時(shí)加配了ov5647 攝像頭模塊，具有500 萬(wàn)像素，樹(shù)莓派通過(guò)和手機(jī)WIFI 通信，將攝像頭拍攝到的畫(huà)面?zhèn)鬏數(shù)绞謾C(jī)客戶端。

圖5 下框架

2.2 腿部設(shè)計(jì)

整個(gè)蜘蛛機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)主要是依靠腿部支撐來(lái)完成的，所以我們采用了較大扭矩的SR518 雙軸舵機(jī)，設(shè)計(jì)的6 足機(jī)器人，一足有4 個(gè)自由度，因此每條腿需要4個(gè)舵機(jī)，一共24 個(gè)舵機(jī)，24 個(gè)舵機(jī)使用24 路PWM控制器集中管理控制。相比較平常的三個(gè)自由度來(lái)講，可活動(dòng)范圍更廣，更方便實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向，保持機(jī)械結(jié)構(gòu)平衡等功能[3]。

腿部主要包括一個(gè)腿根部舵機(jī)，三個(gè)腿關(guān)節(jié)舵機(jī)以及減震足部。如圖6，腿根部舵機(jī)可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)腿部的左右旋轉(zhuǎn)，是腿部和軀干連接的主要舵機(jī)，與軀體下框架配合承受整個(gè)機(jī)器人的載重力[4]。如圖7，三個(gè)腿關(guān)節(jié)舵機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)腿部的抬起，向前移動(dòng)，落地的動(dòng)作，是腿部能夠向前運(yùn)動(dòng)的主要關(guān)節(jié)，舵機(jī)與舵機(jī)之間的連接，同樣采用的是U 型凹槽的連接方式，能夠減少用料，降低加工難度，在連接件中間還加入了橡膠墊片，不僅有穩(wěn)固連接件的作用，還能起到減震的作用，同是中間挖空的設(shè)計(jì)[5]，是為了減輕整體的質(zhì)量，減少材料用量，且經(jīng)過(guò)力學(xué)分析，并不影響整體的受力情況。

圖6 腿根部舵機(jī)

圖7 腿關(guān)節(jié)舵機(jī)及U 型槽連接件

如圖8，9 所示腿部行走機(jī)構(gòu)包括連接支架（12），在連接支架（12）上設(shè)置有電機(jī)（11）和絲杠，電機(jī)（11）輸出軸帶動(dòng)絲杠軸（19）轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠軸（19）端部設(shè)置有支撐腿（18）。

圖8 足部分析圖

攀爬結(jié)構(gòu)包括固定支架（14），固定支架（14）上部固定設(shè)置在連接支架（12）上，所述固定支架（14）上活動(dòng)設(shè)置有用于攀爬的支腿，所述支腿包括內(nèi)腿（15）和外腿（16），所述外腿（16）一端通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)軸設(shè)置在固定支架（14）上，外腿（16）上設(shè)置有導(dǎo)軌，所述內(nèi)腿（15）一端與所述導(dǎo)軌滑動(dòng)連接，內(nèi)腿（15）另一端設(shè)置在連接件（13）上，所述連接件（13）與絲杠軸（19）螺紋連接，電機(jī)（11）工作時(shí)，可以帶動(dòng)所述支腿松開(kāi)或者抓緊,用來(lái)實(shí)現(xiàn)蜘蛛的爬樹(shù)功能。絲杠軸（19）下部設(shè)置有用于連接件（13）限位的限位圈（20）。

圖9 足部設(shè)計(jì)圖

如圖10，在足部我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)彈簧加橡膠減震的裝置，彈簧安裝在了圓柱裝置中，采用的是高強(qiáng)度彈簧，能夠有效的吸收腿部落地時(shí)產(chǎn)生的剛性沖擊力，且能夠有效的起到緩震的作用，最大限度的保護(hù)整個(gè)機(jī)器人，延長(zhǎng)使用壽命，最后在足部我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)半圓的橡膠結(jié)構(gòu)，不論在平面上還是在斜面上行走的過(guò)程中，都能與地面以某一個(gè)點(diǎn)為接觸，且足部所受到的力是指向球心向里的，從而使八個(gè)足部能夠支撐起整個(gè)機(jī)器結(jié)構(gòu)，提高整個(gè)機(jī)器人的平衡性，同時(shí)因?yàn)槭褂玫氖窍鹉z材料，不僅可以提供足夠大的摩擦力，還能夠起到減震的效果，雙重保證整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)的平穩(wěn)性[6]。

圖10 蜘蛛機(jī)器人足部

3 結(jié)論

本研究的創(chuàng)新點(diǎn)主要是該攀爬結(jié)構(gòu)可以幫助該智能蜘蛛機(jī)器人實(shí)現(xiàn)爬樹(shù)的功能，目前現(xiàn)有的仿蜘蛛機(jī)器人主要以模仿蜘蛛的行走形態(tài)為主，主要設(shè)計(jì)蜘蛛行走算法，或者設(shè)計(jì)蜘蛛腿部的機(jī)械結(jié)構(gòu)，多以能夠用簡(jiǎn)單的腿部機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)在平地行走為目的，設(shè)計(jì)蜘蛛能在多種地形上行走的發(fā)明技術(shù)較少。我們的這種創(chuàng)新，增加了能夠?qū)崿F(xiàn)攀爬得功能，對(duì)于蜘蛛得行走地形，又增加了一種新的地形。該產(chǎn)品的程序是基于python 語(yǔ)言的樹(shù)莓派控制，python 語(yǔ)言是一種以簡(jiǎn)便著稱的語(yǔ)言，簡(jiǎn)單易學(xué)，容易上手。而且整個(gè)機(jī)器人的材料輕便，便宜，與國(guó)內(nèi)類似產(chǎn)品相比價(jià)格更低且適用范圍更廣，可應(yīng)用于救援隊(duì)規(guī)模性使用，也可個(gè)人使用。同時(shí)本產(chǎn)品輕便簡(jiǎn)潔，外形小巧，整體體積占用空間??；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能耗低，技術(shù)已相對(duì)成熟。