一種獨(dú)輪車式球形六足機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

于楠 王文晴 黃芮 王禹心 李博遠(yuǎn)

摘? 要：以Arduino UNO R3開發(fā)板為主控制板，研究一種獨(dú)輪車式滾動的球形六足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制平臺。以球形形狀為基礎(chǔ)，結(jié)合獨(dú)輪車滾動運(yùn)動與六足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動特點(diǎn)，設(shè)計(jì)球形六足機(jī)器人模型，同時適應(yīng)多種復(fù)雜地形的變化。通過搭載樣機(jī)對機(jī)器人的六足行走和自主滾動進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果證明了機(jī)器人具有一定的承載、越障以及自主滾動且不發(fā)生傾覆的能力，具有穩(wěn)定性強(qiáng)、靈活度高等優(yōu)點(diǎn)，能夠應(yīng)用在多種復(fù)雜地形，例如山地、沙漠等。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人;球形;六足;滾動;獨(dú)輪車式

中圖分類號：TH128;TP24? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）18-0157-05

Abstract：Using Arduino UNO R3 development board as main control board，the project studies control platform and wheelbarrow-like rolling spherical hexapod robot structure design. Based on spherical shape and combined structures with movements of hexapod and wheelbarrow-like rolling，designing spherical hexapod robot model adapting to complex terrains. The six legged walking and autonomous rolling of the robot are studied by carrying a prototype. The results show that the robot has the ability of carrying，crossing obstacles and rolling autonomously without overturning. It has the advantages of strong stability and high flexibility，and can be applied to various complex terrain，such as mountains and deserts.

Keywords：robot;spherical;hexapod;rolling;wheelbarrow-like

0? 引? 言

生活中常常有科考隊(duì)、探險(xiǎn)隊(duì)進(jìn)入沙漠地區(qū)，考察沙漠中生活的動植物、沙漠生態(tài)環(huán)境等等。在惡劣的環(huán)境中，需要尋找水源，拍攝沙漠動植物，探測周圍環(huán)境的安全程度，這對人類是一大挑戰(zhàn)。如果能用機(jī)器人代替一部分工作，將很大程度上降低這類工作的難度。目前可在沙漠中工作的機(jī)器人仍以六足機(jī)器人、履帶機(jī)器人以及輪式機(jī)器人為主，在靈活度和速度上具有較大的進(jìn)步空間。

六足機(jī)器人又稱蜘蛛機(jī)器人[1]，是仿生機(jī)器人的一種。六足機(jī)器人的靈活性較高，相較于輪式和履帶式機(jī)器人，在越障、爬坡等方面具有較為優(yōu)秀的特性，特別適用于復(fù)雜環(huán)境，例如外太空探索、野外探測等;[2]但同時其也有運(yùn)動效率較低的劣勢。

球形機(jī)器人是指一類驅(qū)動系統(tǒng)位于球殼內(nèi)部，通過內(nèi)驅(qū)動方式實(shí)現(xiàn)球體運(yùn)動的機(jī)器人[3]，其具有良好的動態(tài)和靜態(tài)平衡性，目前是機(jī)器人領(lǐng)域的熱點(diǎn)，所以其結(jié)構(gòu)和控制策略產(chǎn)生了多種不同設(shè)計(jì)[4-6]。目前大多球形機(jī)器人的運(yùn)動主要通過質(zhì)心偏移和動量守恒定律來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動，例如，芬蘭赫爾辛基科技大學(xué)的HALME等研制了小車驅(qū)動的機(jī)器人，通過改變機(jī)器人質(zhì)心的位置來使其運(yùn)動;美國特拉華大學(xué)的BHATTACHARYA等利用角動量守恒原理設(shè)計(jì)了一款球形機(jī)器人[7]。盡管應(yīng)用這種原理設(shè)計(jì)的球形機(jī)器人較多，但這種運(yùn)動方式不是最佳的，因?yàn)樗蕾囉谶\(yùn)動部件，這可能會帶來諸多問題，[8]所以目前尋找新的球形運(yùn)動方式是一個研究趨勢。球形機(jī)器人的應(yīng)用從行星表面探索[9]到玩具工業(yè)[10]各不相同。

本文介紹了一種獨(dú)輪車式球形六足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，用球式結(jié)構(gòu)彌補(bǔ)六足機(jī)器人的不足，其運(yùn)動狀態(tài)分為兩種：在不平坦地帶，以六足形態(tài)行走;在平坦地面，通過球體豎直方向的赤道面球殼滾動以帶動整個球體前進(jìn)。本設(shè)計(jì)為全國大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽參賽項(xiàng)目成果，研究立足于沙漠環(huán)境，旨在為沙漠探測提供更現(xiàn)代化的手段。

1? 球形六足機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1? 機(jī)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示，球形六足機(jī)器人主要是將球形滾動與足式運(yùn)動結(jié)合起來，其目的是在不同地形情況下采用不同的運(yùn)動方式，提高運(yùn)動效率。球形六足機(jī)器人由三部分組成：主軀干、六足運(yùn)動結(jié)構(gòu)和球形滾動結(jié)構(gòu)。

1.1.1? 六足運(yùn)動結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前六足機(jī)器人結(jié)構(gòu)主要有兩類：一種是左右對稱，三條足為一組位于機(jī)體一側(cè);另一種是繞機(jī)體豎直軸線均勻分布[11]。綜合考慮球形六足機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)，足部設(shè)計(jì)選擇后者。六足運(yùn)動結(jié)構(gòu)位于機(jī)器人球體的下半球，從機(jī)器人結(jié)構(gòu)內(nèi)部剝離后如圖2所示。六條足由上下兩塊形狀相同的板連接，并沿垂直于板的軸線均勻環(huán)繞，每相鄰兩足夾角為60°。其優(yōu)點(diǎn)是可以選擇任意方向?yàn)榍斑M(jìn)方向，機(jī)器人反應(yīng)迅速;缺點(diǎn)是運(yùn)動效率較低，但為了實(shí)現(xiàn)球形結(jié)構(gòu)只能做出犧牲。兩塊板主要起到連接作用，所承擔(dān)載荷較小。

絕大多數(shù)的六足機(jī)器人需要同時控制18個關(guān)節(jié)。[12]本設(shè)計(jì)的六足運(yùn)動由18個舵機(jī)控制，分配到機(jī)器人的單條足通過3個舵機(jī)來控制每3個自由度。通過控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)角，以及六條足之間的相互配合，完成機(jī)器人的展開、前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向、收回運(yùn)動。

在六足運(yùn)動狀態(tài)時，六足結(jié)構(gòu)需要承擔(dān)整個機(jī)器人的質(zhì)量以及運(yùn)動過程中的沖擊，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面需要特殊設(shè)計(jì)，足部結(jié)構(gòu)俯視圖如圖3所示[13]。舵機(jī)1與舵機(jī)2的轉(zhuǎn)動平面相互垂直，選擇鋁制十字大U型連接件連接;舵機(jī)2與舵機(jī)3的轉(zhuǎn)動平面重合，只需選擇小U型連接件連接。足部最外側(cè)部件由3個零件組成，包括2個足部板和中間支撐殼。這一部件直接支撐機(jī)器人運(yùn)動、與地面接觸受到摩擦力，必須保證一定的剛度、強(qiáng)度和耐磨性，以免在運(yùn)動過程中發(fā)生變形甚至斷裂，降低機(jī)器人使用壽命，所以兩側(cè)的足部板件選擇亞克力材料，再通過中間的支撐殼進(jìn)一步提高剛度強(qiáng)度，提高運(yùn)動穩(wěn)定性。足部板件的圓弧以及中間支撐殼的曲率設(shè)計(jì)保證了足部收回到球形機(jī)器人內(nèi)部后還可以保證球形形狀的完整。

1.1.2? 球形滾動結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

球形機(jī)器人的滾動控制應(yīng)用最多的是電機(jī)帶動偏心輪在機(jī)器人內(nèi)部轉(zhuǎn)動，改變機(jī)器人重心位置實(shí)現(xiàn)滾動，該方式應(yīng)用在球形六足機(jī)器人中就出現(xiàn)了很多問題。首先機(jī)器人增加了六足運(yùn)動結(jié)構(gòu)使得剩余空間不足。除此之外，添加偏心輪會大大增加機(jī)器人的整體質(zhì)量，需要選用負(fù)載更大的舵機(jī)，舵機(jī)體積增大，剩余空間進(jìn)一步減小。最后六足運(yùn)動部分的舵機(jī)帶來了大量的線路，在偏心輪轉(zhuǎn)動過程中很容易造成線路的斷路與短路。為了平衡球形滾動結(jié)構(gòu)與六足運(yùn)動結(jié)構(gòu)的關(guān)系，最終選擇了“獨(dú)輪車式”滾動控制設(shè)計(jì)，優(yōu)點(diǎn)在于裝置質(zhì)量較小，結(jié)構(gòu)簡單，所占空間小[7]。

球形滾動結(jié)構(gòu)如圖4所示，其整體為一組內(nèi)齒輪結(jié)構(gòu)，電機(jī)驅(qū)動安裝在頂部支撐板的主動齒輪，主動齒輪與內(nèi)齒輪圈的內(nèi)齒嚙合帶動內(nèi)齒輪圈轉(zhuǎn)動。內(nèi)齒輪圈外圈充當(dāng)機(jī)器人赤道面上的球殼，通過與地面的摩擦帶動整個機(jī)器人的轉(zhuǎn)動。其他兩個從動齒輪固定在中間層的支撐板上，同樣與內(nèi)齒輪圈嚙合，消除內(nèi)齒輪圈在豎直平面內(nèi)x方向的自由度。固定在六足部分下板的摩擦輪與主動齒輪共同限制豎直平面內(nèi)z方向的自由度，防止在機(jī)器人滾動時球殼的變形導(dǎo)致內(nèi)齒輪圈錯位。本組齒輪屬于開式內(nèi)齒輪嚙合，選用固體潤滑脂減小運(yùn)動過程中的摩擦。

機(jī)器人滾動是通過“獨(dú)輪式”實(shí)現(xiàn)的，地面所提供的支持面較小，機(jī)體很容易發(fā)生側(cè)翻。防止左右側(cè)翻需要嚴(yán)格保證機(jī)器人質(zhì)量沿大齒輪所在赤道面對稱分布;防止前后側(cè)翻，可考慮不倒翁原理，保證機(jī)器人重心位于下半球，通過下半球質(zhì)量較重的六足運(yùn)動結(jié)構(gòu)可滿足該需求。

1.1.3? 主軀干設(shè)計(jì)

球形結(jié)構(gòu)軀體的作用如下：

（1）為滾動運(yùn)動提供外形球形狀態(tài);

（2）連接六足與滾動兩個運(yùn)動模塊，同時提供承載作用;

（3）為控制元件提供承載平臺。

主要部件包括外殼球形以及橫于球體內(nèi)部的兩塊支撐板。外殼的球形結(jié)構(gòu)需要滿足滾動時的承載和運(yùn)動需求，方便安裝、質(zhì)量不能過大。所以在設(shè)計(jì)上，給外殼內(nèi)壁添加經(jīng)緯度上的筋，提高剛度和強(qiáng)度，防止運(yùn)動過程中過度變形或碎裂;將外殼分割成若干零件，方便后續(xù)的安裝;采用樣機(jī)成本最低的進(jìn)3D打印進(jìn)行加工;同時為了減輕質(zhì)量選擇ABS材料。兩塊支撐板中下支撐板通過3個六角銅柱連接六足運(yùn)動結(jié)構(gòu)，滾動結(jié)構(gòu)的3個小齒輪分別固定于兩支撐板上，其余空間還為控制元件提供安裝位置;支撐板是用亞克力板進(jìn)行鏤空處理制作，既滿足負(fù)載需求，還預(yù)留了安裝口，減輕了質(zhì)量。

1.2? 模式轉(zhuǎn)換

六足部分的展開與收回運(yùn)動是六足運(yùn)動狀態(tài)與滾動運(yùn)動狀態(tài)轉(zhuǎn)換的分界線[14]。六足部分的展開運(yùn)動使機(jī)器人由球形狀態(tài)轉(zhuǎn)換為六足狀態(tài)，通過程序控制相間隔的三條足最外層的舵機(jī)轉(zhuǎn)角，使最外側(cè)部件相對于機(jī)體展開一定角度，同時控制中間層舵機(jī)轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)落地支撐，起到穩(wěn)定作用;再放下另三條足，完成展開任務(wù)。

收回運(yùn)動使機(jī)器人形態(tài)由六足狀態(tài)轉(zhuǎn)換為球形狀態(tài)，與展開不同，收回之前機(jī)器人在通過六足行走運(yùn)動，當(dāng)停止運(yùn)動后，每個足所處位置不能滿足直接收回要求，需要先讓六足復(fù)位到展開后所處的初始位置，再抬起三條足，收回到球殼內(nèi)，剩余三條足先緩慢的使球殼底部著地，最后收回到球殼內(nèi)。該運(yùn)動同樣由中間層和最外層舵機(jī)配合完成。考慮到舵機(jī)控制精度，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上通過腿部零件內(nèi)側(cè)的特殊內(nèi)凹曲線，與中層支撐板外輪廓契合形成限位，從而保證機(jī)器人收回成一個完整球體。同時由于機(jī)器人的大部分質(zhì)量集中在下半球，使得其重心較低，在展開與收攏的運(yùn)動過程中保證了機(jī)器人的平穩(wěn)性。機(jī)器人展開狀態(tài)與收攏狀態(tài)如圖5所示。

1.3? 建立模型

本設(shè)計(jì)利用三維軟件SOLIDWORKS進(jìn)行實(shí)體的造型設(shè)計(jì)，對球形六足機(jī)器人進(jìn)行了三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并確定各零件尺寸，且確定了安裝的相對位置，通過三維軟件約束命令進(jìn)行裝配。這樣的設(shè)計(jì)方法，方便在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中對模型數(shù)據(jù)進(jìn)行修改和優(yōu)化。在完成球形六足機(jī)器人的裝配后，可以通過改變部件的相對位置，來檢查干涉情況，避免零件干涉;還可獲取六足運(yùn)動狀態(tài)的角度，為后面的控制提供數(shù)據(jù)支持。目前的部分加工手段和加工廠商都可以實(shí)現(xiàn)三維零件圖紙的直接加工，大大提高了加工制造效率。

2? 球形六足機(jī)器人控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

球形六足機(jī)器人控制系統(tǒng)構(gòu)成包括：電源模塊、富斯i6遙控器、Arduino UNO R3開發(fā)板、驅(qū)動板模塊、舵機(jī)、360°旋轉(zhuǎn)舵機(jī)[15，16]。其硬件設(shè)計(jì)框架如圖6所示。遙控器發(fā)射機(jī)使用三個通道，分別控制運(yùn)動方向和形狀，接收機(jī)采用PPM協(xié)議，由Arduino主控板將PPM信號解碼為通道量，進(jìn)行機(jī)器人控制。驅(qū)動板包括繼電器驅(qū)動電路和舵機(jī)驅(qū)動電路，繼電器驅(qū)動電路由數(shù)字脈沖控制生成序列驅(qū)動信號，對電機(jī)驅(qū)動電路進(jìn)行間隔供電，以避免供電電流過高導(dǎo)致驅(qū)動板過熱。機(jī)器人控制部分通過下部18路舵機(jī)和上部1個可360°旋轉(zhuǎn)的舵機(jī)實(shí)現(xiàn)其正常運(yùn)動，下部舵機(jī)分6組，機(jī)器人的每條足裝有3組舵機(jī)，通過定時器產(chǎn)生PWM信號，驅(qū)動舵機(jī)轉(zhuǎn)動不同的角度，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人每個關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的六足行走。通過主控板上的電機(jī)驅(qū)動模塊，控制上部可360°旋轉(zhuǎn)的舵機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，采用不同的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向配合，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的滾動。

3? 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及初步成果

為了驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性，制作了一臺樣機(jī)進(jìn)行測試并取得了一些初步成果。樣機(jī)根據(jù)所建三維模型進(jìn)行1：1搭建，外殼用橫縱加筋的ABS材料;六足部分的足部用亞克力材料，舵機(jī)間的連接件和上部舵機(jī)支承件選用鋁合金，承重的板和外圈用尼龍材料，既減重減震又有一定的強(qiáng)度和形狀穩(wěn)定性，并在外圈貼橡膠以防滑;與大齒輪嚙合的三個小齒輪中，直接從舵機(jī)輸出動力的小齒輪選用四個玻纖板拼接，保證其承載強(qiáng)度;其他兩個從動小齒輪用與外圈相同的尼龍材質(zhì)，底部的小滾輪用橡膠材質(zhì)。樣機(jī)球殼最大直徑300 mm，總重3.5 kg，其中六足部分重約1.68 kg。滾動部分小齒輪齒數(shù)z=17，模數(shù)m=3，厚度20 mm，齒輪傳動比5：1。當(dāng)六足全部支撐地面時，球殼外圈距離地面25.5 mm高。圖7為除去球型結(jié)構(gòu)軀體的樣機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

本實(shí)驗(yàn)為階段性驗(yàn)證，首先單獨(dú)測試了六足部分的承重與越障行走情況。如圖8所示，單獨(dú)的六足部分行走除自身重量外，承受外載荷的臨界值為重約1.5 kg的重量，足夠支承整個球殼行走。如圖9所示，六足部分成功跨越厚度約為30 mm的一個筆記本，具有一定的越障能力。

在六足與滾動部分裝配結(jié)合后進(jìn)行了滾動部分的試驗(yàn)，為隨時檢查設(shè)備的工作狀況，實(shí)驗(yàn)時沒有將外殼完全裝配，但不影響試驗(yàn)效果。通過試驗(yàn)可以看出滾動部分工作正常，球體內(nèi)部結(jié)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)形式及運(yùn)動方式的設(shè)計(jì)會隨著外圈的滾動相對其做不倒翁式的搖擺運(yùn)動，圖10（a）為內(nèi)部結(jié)構(gòu)超前于外圈而相對前傾的臨界狀態(tài)，圖10（b）為內(nèi)部結(jié)構(gòu)落后于外圈而相對后仰的臨界狀態(tài)。但由于重心始終在下，機(jī)器人不會翻倒。

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果測算，可以得到樣機(jī)信息如表1所示，可以看出，機(jī)器人六足運(yùn)動速度慢于滾動速度，將六足與滾動相結(jié)合可以很好地提升機(jī)器人的運(yùn)動效率。

4? 結(jié)? 論

本文提出了一種獨(dú)輪車式的球形六足機(jī)器人，該機(jī)器人具有將自主滾動和六足行走結(jié)合的創(chuàng)新點(diǎn)。采用SOLIDWORKS三維軟件進(jìn)行建模，設(shè)計(jì)了機(jī)器人的六足結(jié)構(gòu)、六足步態(tài)、滾動裝置、主軀體以及控制系統(tǒng)。利用Arduino編程，設(shè)置腿部的初始角度，根據(jù)六足步態(tài)設(shè)置轉(zhuǎn)動角度和次序，根據(jù)所需的滾動速度設(shè)置滾動裝置電機(jī)的轉(zhuǎn)速。最后對機(jī)器人的六足行走和自主滾動進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果證明了機(jī)器人的六足部分具有一定的承載能力、越障能力以及自主滾動且不發(fā)生傾覆的能力。

球形六足機(jī)器人的自主滾動和六足行走的兩種運(yùn)動方式相結(jié)合使機(jī)器人具有穩(wěn)定性強(qiáng)、靈活度高等優(yōu)點(diǎn)，能夠應(yīng)用在多種復(fù)雜地形，例如山地、沙漠等。

參考文獻(xiàn)：

[1] 白穎，蔣慶斌，莫莉萍，等.六足仿蜘蛛機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析 [J].機(jī)電工程，2019，36（7）：732-735+743.

[2] ZHANG H，LIU Y B，ZHAO J，et al. Development of a bionic hexapod robot for walking on unstructured terrain [J]. Journal of Bionic Engineering，2014，11（2）：176-187.

[3] 劉增波，戰(zhàn)強(qiáng)，蔡堯.一種環(huán)境探測球形移動機(jī)器人的運(yùn)動控制 [J].航空學(xué)報(bào)，2008，29 （6）：1673-1679.

[4] BHATTACHARYA S，AGRAWAL S K. Spherical rolling robot：A design and motion planning studies [J]. IEEE Transactions on Robotics & Automation，2000，16（6）：835-839.

[5] JAVADI A A H，MOJABI P. Introducing Glory：A Novel Strategy for an Omnidirectional Spherical Rolling Robot [J]. Journal of Dynamic Systems Measurement & Control，2002，126（3）：678-683.

[6] JOSHI V A，BANAVAR R N. Motion analysis of a spherical mobile robot [J]. ROBOTICA，2009，27（3）：343-353.

[7] 戰(zhàn)強(qiáng)，李偉.球形移動機(jī)器人的研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢 [J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2019，55（9）：1-17.

[8] 劉超強(qiáng)，葉坤，李鶴喜.基于YOLOv2的雙足機(jī)器人目標(biāo)檢測與拾取 [J].現(xiàn)代信息科技，2019，3（18）：137-140.

[9] MICHAUD F，LAFONTAINE J，CARON S.A Spherical Robot for Planteary Surface Exploration [C]// Proceeding of the 6th International Symposium on Artificial Intelligence and Robotics & Automation in Space，2001.

[10] MICHAUD F，CARON S. Roball，the Rolling Robot [J].Autonomous Robots，2002，12（2）：211-222.

[11] 李春明，王義甫，遠(yuǎn)松靈，等.六足步行機(jī)器人足式布局研究與分析 [J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2019（15）：94-96.

[12] D?RR V，SCHMITZ J，CRUSE H. Behaviour-based modelling of hexapod locomotion：linking biology and technical application [J].Arthropod Structure and Development，2004，33（3）：237-250.

[13] 郭建，謝鑫，蔣品.仿生六足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動分析 [J].機(jī)床與液壓，2019，47（3）：21-26.

[14] 胡勇.六足機(jī)器人梅花樁行走步態(tài)研究 [D].四川：西南科技大學(xué)，2019.

[15] 陳利標(biāo)，鄭暖暖，蘇宗梓.基于Arduino控制的球形機(jī)器人 [J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2018（1）：26+29.

[16] 王賀，王鳳嬌，于蘭浩，等.基于Arduino的六足仿生機(jī)器人的設(shè)計(jì)與研究 [J].南方農(nóng)機(jī)，2017，48（16）：33.

作者簡介：于楠（1999-），女，漢族，黑龍江哈爾濱人，本科，研究方向：航空宇航制造工程。