對仿生爬行動物機器人的研究與設計

賀方心，李涵，倪望曦，李知旻

（東北林業大學機電工程學院，黑龍江哈爾濱, 150040)

0 引言

隨著科技的發展，動技術的研究，仿生技術早已進入并潛移默化的影響我們的生活。多足機器人是通過模擬爬行動物的爬行方式，并采用多關節結構進行運動的一類機器人。在生產實踐中，我們將足數大于四足的機器人統稱為多足機器人。多足仿生機器人研究一直是國內外研究的熱點之一。在不良地形中，輪式、履帶式機器人的工作和生產嚴重受限，為了進一步實現提高在復雜地形或不良狀況下的生產生活能力，多足機器裝置的出現及研究便具有了十分重要的意義。

作者通過對于多足仿生機器人的研究，對于鱷魚運動狀態的細致觀察，模擬一種模仿鱷魚腿部的四足運動結構，通過肢體和電機的連接形成了一個基于Arduino主控的多足仿生機械裝置。仿生鱷魚的尾部采用多舵機的柔性關節，主要結構主要由四個腿部、軀體、尾部和頭部組成。其中腿部是實現運動的重要組成部分。腿部由六個主要結構組成，通過轉軸實現前肢和后肢共同控制，舵機控制器收到命令后通過傳動軸來控制機器人腿部運動，通過改變電機的轉速來實現裝置的前進和轉向。兩棲運動模式仿生鱷魚能夠實現陸地和水下的兩棲運動。

1 課題研究的背景和意義

基于輪式、履帶式機器人以往運動局限性的情況，隨著人們在生產生活中對于機器人穩定性高，適應能力強的需求日益高漲。能夠適應惡劣、復雜的地形的機器人，逐漸有了更重要的作用。而且，伴隨著人們的研究與發展，多足機器人的運動穩定性和精確度有了較大提升。多足仿生機器人比其它類型機器人更有優勢，比如，多足機器人能更好的適應復雜多變的地形和環境，利用多關節結構，實現多自由度的協調運動，使其更加穩定靈活。多足仿生機器人與地面之間使用球面接觸，可以大大降低接觸面積，使其在崎嶇不平的地形中，能夠運行更平穩，增強其對于地形的適應能力。通過這種獨特的仿生結構，使這類多足仿生機器人能夠模擬鱷魚運動的過程。

2 系統總體方案設計

本系統采用以Arduino為控制核心，在硬件主控板的ARM微處理器上能完成32位指令，可快速控制舵機運動。系統通過三角步態來實現自身的平穩運動，根據GF集理論單條腿設計三個主要關節，通過一個舵機與傳動軸實現前兩肢的協調運動，后肢同理，在多足機器人行走步態時保證至少有2條腿與地面接觸作為支撐。這種結構設計提高了裝置的運動平穩性，并避免了在運動過程中腿部之間的影響與干涉，而且極大的增大裝置的腿部運動空間。參考文章在前進方向線與機器人底板中心處線段的夾角α變化范圍不大的前提下，增大機器人重心與重心在底面投影的距離，從而提高機器人運動的穩定性。

可以在復雜的路面上采用智能方式調整步態，增強適應能力，例如通過計算機運算得出最佳步態從而穩定行走。

在繪制模型環節，本裝置使用的繪圖軟件是SOLIDWORKS。先對于裝置進行整體繪制，模擬裝置整體運動狀況。然后設計零件，并導出圖紙進行加工。最后將各個部分組裝，完成整體架構。

2.1 腿部結構分析

如圖1所示，本系統腿部采用9桿相連的具有1個自由度的結構，元件結構簡單、可靠性強、使用壽命高。在生理上模擬踝關節，膝關節，髖關節等骨骼形式。模擬真實的動物運動結構，通過舵機帶動主軸旋轉，再通過圓錐齒輪帶動傳動軸的旋轉，從而形成腿部運動。采用電驅動的方式，具有清潔環保、噪音小、控制精確、抗干擾能力強。隨著近幾年電機的發展，大扭矩高轉速電機的出現，對于多足仿生機器人的研究發展具有重要意義。腿部優化通過MATLAB工具進行優化分析，通過有限元分析結構對每一個單元和節點進行運動分析，最終得出最優結構方式。

圖1 腿部機構

機器人所有的關節結構均由電機控制，關節間采用鋁合金材質的鏈接件，可以增加機器人運動的平穩性和靈活性。其整體結構設計可以使多足機器人很好地模擬爬行動物的運動步態和方式，這種結構設計提高了機器人的穩定性，并能減少在運動過程中腿部之間的碰撞，而且極大的增大機器人的腿部運動空間。

在一般情況下，將電機的控制線與單片機的一個控制管腳連接在一起即可實現對于舵機控制，這種控制原理被稱為PWM。但對于情況更復雜的多足裝置而言，由于其具有多關節的結構，因此需要改進原有的PWM控制方法，也就是能同時對多舵機進行操控，即多路PWM信號進行控制。由于電機控制器并不具備自我思考的能力，所以必須預先設置運動指令，之后電機才可根據指令進行運動，其舵機控制器則作為一個接受命令的從機。其控制核心采用STC89C53單片機，由它發送控制命令，由電機控制板負責生成控制信號并驅動多足機器人的各部分結構協同運動。使用計算機對于單片機串口通信程序編寫，并向控制器傳送控制指令，實現相應的步態動作。根據多足機器裝置對爬行軌跡及位置信息的檢測，arduino主控板便給電機發送不同的轉速指令，然后自動調整轉速。

3 關于有限元在本機構中的應用與分析

有限元分析的方法在結構優化中有著十分廣泛的應用。有限元分析首先要將所需結構進行離散化，得到一個一個獨立的細小單元，然后分析每個小單元的節點位移與節點力，并對于力與位移的關系進一步探究分析。然后將每個細小單元進行組合，對每個細小單元的力與位移進行整合分析，得到整體的節點位移與節點力的方程。通過解這個方程，便可以得到未知節點的位移。再將節點位移帶入每個細小單元，便可求出整個離散模型的最終數值解答。

在本裝置中，通過SOLIDWORKS對于足部的組成桿件的位移應變和應力等進行分析。以腿部結構中與軸相連的桿件為例，對于此桿件進行有限元分析。

本裝置采用的電機是ZLSZ42集成式閉環步進電機，輸出保持力矩為0.72N.m。經過傳動機構，算出桿件所受的力為：60N.m的力矩和50N的正壓力。在SOLIDWORKS將此桿件離散化后，固定其與軸相連的表面，并將相應的力施加在此表面，從而得出此桿件的應力，位移與應變情況。圖2便為桿件的離散化模型，圖3,圖4和圖5顯示了此桿件的應力，位移與應變情況。

圖2 離散化模型

圖3 桿件所受應力圖

圖4 桿件位移圖

圖5 桿件應變圖

通過對于每個桿件的有限元分析，從而確定每個桿件運動過程中應力力，位移和應變情況，以得知桿件是否受損，以便及時準確的對于桿件的結構進行改善和優化。