高冗余度仿生機器人的運動學研究

趙淑萍 劉桐青

(山東協和學院，山東 濟南 250107)

1 設計優勢

(1)模塊化設計，可以根據任務靈活組裝模塊。

(2)采用設計的新型關節和仿蛇鱗摩擦外殼地形適應性強，運動靈活，單關節自由度高。

(3)通過特定的救援給養輸送裝置可以為受困人員提供生命給養，維持生命體征，延長救援時效。

(4)通過運動控制算法，深入廢墟內部，進入狹小空間的搜救；利用復合視覺系統進行微光、超視距搜索，保護受困人員實例。

(5)質量輕便，單個模塊僅重650g。

2 研究的過程及實施

2.1 機械設計部分

救援裝置要求行動靈活，關節自由度高，對關節部分提出設計靈活的要求。

(1)連接結構設計。

對已有技術分析，萬向節結構具有運動靈活；正交結構具有承載能力強的特點。假設取其二者優點結合，設計出一款利用正交結構逼近萬向節的連接方式。

利用SolidWorks進行建模分析，建模圖見圖1，設計原理是將相連正交結構兩軸逼近為0，理論設計中該結構可以與萬向節功能相同，但轉配分析其三維具有一定角度限制，為一個錐面空間，見圖2。

通過運動仿真，理論設計和仿真結果一致。

(2)仿生摩擦外殼設計。

對蛇類生物研究中，其蛇鱗的摩擦系數成各向異性，向前的摩擦系數小于向后的摩擦系數，依照此結構設計出特殊的紋路，改變摩擦系數的各向異性。通過計算紋路與軸線夾角40～45°為最佳，設計見圖3。

2.2 結構優化

(1)運送給養結構。

通過組織答辯和調查當地消防人員，總結調查結果提出設計給養運送機構。

圍繞這個問題我們對救援裝置的支架進行優化，在其中間預留出夾持固體食物和儲存水的容器，結構置于機體內如圖4。

空腔內可以放置小型水袋或壓縮餅干等，在開口部分通過卡口裝置打開，方便受困人員打開獲取資源。單個部分可以最大運載250g的給養。

連接部分一體設計，安裝活動端蓋將給養用長條形塑封袋塑封條折疊放入，受困人員打開端蓋抽出即可。

(2)其它內部支撐設計。

電子元件需要相應的安裝方式，結合腔體設計出安裝支架。

內部支撐受外界因素小，因此采用ABS工程塑料為設計材料，設計結構見圖5。

2.3 模塊化設計

進一步對設計方案優化，原有設計未考慮功能化設計，設計功能單一，對此進行接口的設計。

將連接部分進行拆裝接口設計，見圖6。將給養運送結構模塊化設計，設計為可拆卸封閉式結構，見圖7。

模塊化設計后，可以根據任務需求進行相應的模塊調整。

2.4 蠕動運動算法優化與調試

對算法設計實際仿真及調試，設定各標準參數值，發現關節與關節參數銜接有一定的卡頓，對算法和控制進行優化。

(1)蠕動運動算法設計。

救援裝置的蠕動與蜿蜒是具有一定區別的，其在蠕動過程中是通過伸縮來完成向前的爬動，通過研究了解到蛇類生物向后摩擦力大于向前的摩擦力。因此，救援裝置只能向前爬行。各個關節所采用PWM波為兩路，即需要采用兩個定時器才劃分在相同時間段內的溢出中斷執行。其參數的設置和蜿蜒運動相似，只不過將水平方向的主要參數賦值給豎直方向上的運動。

(2)蠕動算法優化與調試。

在進行算法仿真的過程中，對如何使救援裝置的蠕動運動過程中某一節點突起使其保持平衡提出疑問。

在蠕動運動中，我們采用兩個定時器分別計時，分別為定時器3與定時器5，觸發中斷產生其相對應關節的PWM波，來控制舵機旋轉。在某一關節拱起時，將本關節的前后關節分別向其中心運動，當關節拱起時，我們會發現其拱起關節由于救援裝置的單關節與整體關節相比，質量較輕，且其它關節整體與地面的摩擦較大，使其保持穩定，從這可以看出我們利用了部分關節逐節抬起，而不是多節關節抬起。

3 研究成果與價值

通過本次項目研究，設計出一種新型關節連接方式，采用這種連接方式可以有效降低直徑和單關節長度比值，接近理想比值0.67；研究設計一種新型的仿生外殼設計，優于被動輪式外殼設計，可以更好地適應各類地形環境；可攜帶救援給養結構的設計，給出一種實際應用的方案；對運動算法的優化設計，設計出可以靈活運動的算法程序；依靠物聯網的救援技術支持系統的設計，使救援技術不受地域限制。

在進一步改進后，可以根據不同的任務要求將相應的傳感器模塊換裝，設計出適合管道檢測、礦道毒氣檢測、軍事等領域應用的產品。