六足仿生蜘蛛機(jī)器人步態(tài)軌跡規(guī)劃研究

張思晨 莫書(shū)維 關(guān)榮博 范博

摘? 要：六足放生步行機(jī)械人基于動(dòng)力學(xué)原理，采用多自由度設(shè)計(jì)思想，利用多個(gè)連桿組建成智能機(jī)器人。由于機(jī)器人模型結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，導(dǎo)致步態(tài)軌跡穩(wěn)定性難以控制。文章采用獨(dú)立操控方式設(shè)計(jì)了六足結(jié)構(gòu)，通過(guò)MATLAB軟件模擬仿真蜘蛛機(jī)器人步態(tài)軌跡。仿真結(jié)果表明，文章設(shè)計(jì)的機(jī)器人結(jié)構(gòu)滿足控制需求。

關(guān)鍵詞：六足仿生蜘蛛機(jī)器人;控制器;步態(tài)軌跡

中圖分類號(hào)：TP242? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）08-0025-02

Abstract： Based on the principle of dynamics， the hexapod release walking robot adopts the idea of multi-degree-of-freedom design and uses multiple connecting rods to form an intelligent robot. Because of the complexity of the robot model structure， the gait trajectory stability is difficult to control. In this paper， the hexapod structure is designed by independent control mode， and the gait trajectory of spider robot is simulated by MATLAB software. The simulation results show that the robot structure designed in this paper meets the control requirements.

Keywords： hexapod bionic spider robot; controller; gait trajectory

蜘蛛機(jī)器人反應(yīng)速度較快，移動(dòng)姿勢(shì)較為靈活，可以代替人類完成和很多操作。為了深入探究六足蜘蛛機(jī)器人功效，可以采用虛擬樣機(jī)，對(duì)機(jī)器人步行軌跡進(jìn)行仿真，根據(jù)仿真結(jié)果做出適當(dāng)調(diào)整，使其滿足機(jī)器人操作需求[1]。本文將重點(diǎn)探究蜘蛛機(jī)器結(jié)構(gòu)、步態(tài)原理，通過(guò)構(gòu)建仿真模型，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行仿真分析。

1 六足仿生蜘蛛機(jī)器結(jié)構(gòu)

1.1 機(jī)器人整體設(shè)計(jì)

為了提高機(jī)器人結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，本文通過(guò)查找文獻(xiàn)資料，對(duì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究分析，最終選取菱形作為機(jī)器人基本結(jié)構(gòu)[2]。該結(jié)構(gòu)不僅能夠增加機(jī)器人腿部活動(dòng)空間，而且還能夠減少腿部之間的碰撞，避免行走過(guò)程中相互干涉。從材料消耗角度來(lái)看，菱形機(jī)器人還能夠減少材料消耗量，整體重量也比較小，這也是蜘蛛機(jī)器人行走靈活主要因素之一。選取鋁制材料為主要材料，利用外圍設(shè)備、多種傳感器、供電電池、核心控制器單片機(jī)構(gòu)建機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)。

1.2 軀干設(shè)計(jì)

為了保證蜘蛛機(jī)器人正常運(yùn)行，必須保證控制器安置位置在一個(gè)不容易活動(dòng)的位置，避免活動(dòng)幅度較大，對(duì)控制器程序命令下達(dá)造成影響。本文對(duì)機(jī)器活動(dòng)關(guān)節(jié)進(jìn)行研究分析，從中選取軀干部位作為控制器安裝位置。這種安裝方式不僅可以為機(jī)器人操控提供便利條件，而且還可以避免控制器受器件活動(dòng)影響。

考慮到控制器控制操作要求較高，采用傳統(tǒng)的開(kāi)發(fā)方式無(wú)法滿足機(jī)器人操控需求。因此，本文選取Arduino作為開(kāi)發(fā)環(huán)境[3]。首先，對(duì)各個(gè)傳感進(jìn)行初始化處理。其次，根據(jù)操作需求，對(duì)各個(gè)傳感器下達(dá)控制命令，以傳感器驅(qū)動(dòng)方式控制機(jī)器人運(yùn)行軌跡，通過(guò)調(diào)整算法，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)命令操控[4]。

1.3 頭部設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的蜘蛛機(jī)器人在運(yùn)行過(guò)程中，需要根據(jù)采集到的視頻信息，對(duì)運(yùn)行軌跡做出調(diào)整。根據(jù)此運(yùn)行操控原理，構(gòu)建三維坐標(biāo)系，在機(jī)器人的頭部安裝微型攝像頭，并利用微型攝像頭360度采集視頻信息，將采集到的視頻信息轉(zhuǎn)換為三維坐標(biāo)信息，在x，y，z軸上生成移動(dòng)軌跡，從而獲取機(jī)器人移動(dòng)軌跡[5]。另外，考慮到本文設(shè)計(jì)的蜘蛛機(jī)器人還需要具備超聲、測(cè)距、溫度等信息采集功能，為此，本文利用相應(yīng)傳感器采集相應(yīng)信息，同樣將其安裝在機(jī)器人的頭部。通過(guò)紅外線識(shí)別物體，經(jīng)過(guò)無(wú)線傳輸裝置傳輸、接收信號(hào)，通過(guò)信號(hào)分析，獲取機(jī)器人行走路線障礙物信息，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1.4 機(jī)器人的腿部設(shè)計(jì)

本文采用對(duì)稱分布法設(shè)計(jì)機(jī)器人腿部分布圖，機(jī)器人腿部設(shè)計(jì)綜合運(yùn)動(dòng)靈活性和承載力兩項(xiàng)因素，構(gòu)建了機(jī)器人腿部設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)方案選取三角形區(qū)域作為重心，可以在一定程度上提高機(jī)器人行走穩(wěn)定性，在此基礎(chǔ)上，在設(shè)計(jì)過(guò)程中在各個(gè)腿中設(shè)計(jì)了3個(gè)自由度，并在各個(gè)腿關(guān)節(jié)上添加了控制電機(jī)，采用獨(dú)立控制方式，為膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)、腿關(guān)節(jié)分別編寫(xiě)相應(yīng)控制程序，在實(shí)際操控過(guò)程當(dāng)中，各個(gè)關(guān)節(jié)之間相互獨(dú)立，可以實(shí)現(xiàn)自由行走。以往研究中，增加了腿部機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜度，雖然豐富了移動(dòng)功能，但是加大了桿件運(yùn)行壓力，需要處理大量數(shù)據(jù)，導(dǎo)致機(jī)器人運(yùn)行速度較慢[6]。針對(duì)此問(wèn)題，本文在設(shè)計(jì)機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)時(shí)，滿足基本操作，簡(jiǎn)化了腿部機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜度，使得機(jī)器人運(yùn)行更加靈活。

1.5 整體機(jī)械設(shè)計(jì)

本文采用六足連接設(shè)計(jì)思想，選取蜘蛛身體驅(qū)趕部位作為控制器安裝位置，并在頭部安裝傳感器模塊，通過(guò)連接件建立各個(gè)肢體連接，經(jīng)過(guò)拼裝連接處理得到仿生蜘蛛機(jī)器人。如圖1所示為整體機(jī)械設(shè)計(jì)方案。

2 六足仿生蜘蛛機(jī)器人步態(tài)原理

在眾多蜘蛛機(jī)器人步態(tài)設(shè)計(jì)方案中，比較經(jīng)典的設(shè)計(jì)為三角步態(tài)設(shè)計(jì)方案。通過(guò)觀察“六足綱”昆蟲(chóng)爬行原理，將蜘蛛的六足劃分為兩組，采取交替形式方式前行。

蜘蛛的右側(cè)中足與左側(cè)前、左側(cè)后三組構(gòu)成一組，剩余三組構(gòu)成另外一組，通過(guò)大腿前后劃動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人行走控制。在實(shí)際操控過(guò)程中，通過(guò)髖關(guān)節(jié)沿著垂直方向或者水平方向完成移動(dòng)行走。在此過(guò)程中，三足在原地保持不動(dòng)，另外三足擺動(dòng)腳。考慮到蜘蛛的重心比較低，不需要利用Z軸方向調(diào)節(jié)，簡(jiǎn)化了步行軌跡研究方案。

如果蜘蛛機(jī)器人在行走過(guò)程中受到不同因素影響，為了保證機(jī)器人能夠穩(wěn)定行走，必須充分考慮步行穩(wěn)定性。依據(jù)三角形穩(wěn)定原理，如果蜘蛛機(jī)器人落腳能夠形成一個(gè)穩(wěn)定的三角形，便可以保證其運(yùn)行穩(wěn)定性。對(duì)于本文設(shè)計(jì)的六足蜘蛛機(jī)器人來(lái)說(shuō)，每三足落地時(shí)，在三角形區(qū)域內(nèi)即可。

3 六足仿生蜘蛛機(jī)器人步態(tài)軌跡仿真分析

3.1 步態(tài)軌跡生成流程

本文利用MATLAB軟件模擬仿真蜘蛛機(jī)器人步態(tài)軌跡，通過(guò)構(gòu)建基于Solidworks的三維模型，添加驅(qū)動(dòng)副、約束副，分析曲線與各個(gè)環(huán)節(jié)曲線是否相符，從而得到關(guān)節(jié)控制量，經(jīng)過(guò)多次調(diào)試，最終生成端點(diǎn)軌跡。如圖2所示為機(jī)器人步態(tài)軌跡生成流程。

3.2 仿真模型構(gòu)建流程

3.3 仿真結(jié)果分析

本文以機(jī)器人膝關(guān)節(jié)角度、角加速度、角速度為例，對(duì)機(jī)器人步態(tài)移動(dòng)進(jìn)行仿真研究，得到仿真結(jié)果。

本文設(shè)計(jì)的六足蜘蛛機(jī)器人關(guān)節(jié)變化比較平緩，與其相對(duì)應(yīng)的角速度角和速度變化都比較平滑，雖然在轉(zhuǎn)換時(shí)刻存在少許波動(dòng)，但是沒(méi)有出現(xiàn)突變情況，峰值在500度/秒2以下，在可控范圍之內(nèi)。因此，本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人結(jié)構(gòu)方案滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)六足蜘蛛機(jī)器人步態(tài)穩(wěn)定性展開(kāi)研究分析，根據(jù)機(jī)器人功能設(shè)計(jì)需求，提出機(jī)器人整體、軀干、頭部、腿部、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。利用MATLAB軟件模擬仿真蜘蛛機(jī)器人步態(tài)軌跡，通過(guò)觀察模擬仿真結(jié)果可知，本文設(shè)計(jì)機(jī)器人步態(tài)行走關(guān)節(jié)較為平緩，滿足設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]任杰，徐海東，干蘇，等.基于Hopf振蕩器的六足機(jī)器人步態(tài)CPG模型設(shè)計(jì)[J].智能系統(tǒng)學(xué)報(bào)，2016，11（5）：627-634.

[2]牛建業(yè)，王洪波，史洪敏，等.變自由度輪足復(fù)合機(jī)器人軌跡規(guī)劃驗(yàn)證及步態(tài)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33（23）：38-47.

[3]魏武，袁銀龍，王新梅.基于影響系數(shù)原理的六足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2016，38（2）：375-381.

[4]王云倩，牟玉壯，張劍.基于CPG控制的六足爬壁機(jī)器人自主越障研究[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2018，39（3）：584-593.

[5]勾文浩，袁立鵬，宮赤坤，等.基于足端軌跡的仿生四足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與步態(tài)規(guī)劃[J].現(xiàn)代制造工程，2017（7）：37-41.

[6]艾青林，阮惠祥，陳教料，等.基于多維度空間耦合的六足機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃[J].中國(guó)機(jī)械工程，2017，28（23）：2829-2838.