结构仿生在机器人设计领域的应用

谭梓炜

（深圳市创客工场科技有限公司）

结构仿生在机器人设计领域的应用

谭梓炜

（深圳市创客工场科技有限公司）

Makeblock是一个包含金属零件、电子模块、软件工具的开源工程积木平台。基于Makeblock平台，你可以快速搭建高性能仿生爬行机器人。本文主要介绍了Makeblock和分析了爬行机器人的机械结构和工作原理。

Makeblock；爬行机器人；结构和原理

1 Makeblock简介

Makeblock最初的理念就是打造金属版的“乐高积木”，提供一个无需专业知识也可以快速搭建专业机器人的平台。Makeblock是机器人DIY和创意实现的平台，它给使用者提供了一套完善的机械、电子、软件的解决方案。机械部分，机械零件主要采用的是铝合金，这些零件包含结构件、传动件和连接件。用这些机械零件能够组装出各种类型的机器人和机械结构。这些机械零件主要使用高强度的铝合金，外观设计具有机械美感。

电子模块，基于应用范围非常广泛的开源硬件Arduino，设计开发的各种类型的传感器、控制器及电机驱动单元，采用RJ25接口和色标体系，便于用户将控制器和传感器连接起来。

软件部分，适用于平板电脑、手机和PC客户端的App和软件便于和硬件实现交互。通过它可以实现与Arduino平台的执行器和传感器进行数据交换，实现操控机器人和机械臂的运动，实现操控机器人倒水、酒这类液体，弹射小球，相扑机器人进行相扑比赛的功能。

2 四足仿生爬行机器人的机械结构和原理

2.1 机器人腿部结构设计

设计仿生爬行机器人的过程中，其中一个关键结构就是腿部。设计爬行机器人的要求是整个机构的重心要尽量低，为了确保这种机器人在爬行的时候，稳定性能比较好，减少消耗能量，在垂直方位腿部活动空间要大，这样才能更好的适应地形[1]。一般情况下，腿部结构应该最少具有3个自由度。四足机器人一般情况下有4条腿，也就是一共有12个自由度。通过仔细观察狗等动物的骨骼结构来设计机器人的机械机构，所以，仿生性能体现在机械机构上。

爬行机器人的腿部分支都有3个自由度，且4条腿部结构非常对称，整个机构的重心正好位于几何中心，腿部机构非闭式链，相当紧凑，此种结构较为紧凑，当爬行机器人有四条腿或者三条腿和地面接触到了，整个机器人就构成了并联机构，足关节和地面是球面副。基于空间自由度计算准则，假如空间有n个物体，随意选一个为参考物，由于任何东西都有6个自由度：沿直角坐标系三个方向的移动，绕轴转动。n个物体相对于参考物有6（n-1）个自由度，如果把这些物体通过运动副相互连接，且设第i个运动副有u个约束，这些物体一共有g个运动副，自由度为把全部约束减掉，自由度公式：

在爬行机器人两个、三个、四个足部接触地面的时候，机构的自由度都是6，能够全方面的运动。

在设计机器人腿部结构的时候，不能太复杂，如果腿部杆件过多和结构比较冗杂，这样很难实现传递动力。机器人在运动的时候，腿部结构是交替进行运动的，则要求在一定负载的情形下，腿部结构能满足整个机构的重量和一定程度的承载能力。在设计四足机器人的腿部机构的时候，不能光仿照爬行动物的腿部骨骼，其中的原因是单纯的仿照，很难在承载力和刚性这两个方面满足需求。通过上述叙述可知，设计爬行机器人腿部结构的时候要注意以下几方面：

（1）具有较大的活动空间，其中包含垂直方向和水平方向上的运动；

（2）能够承受一定的负载和刚度，确保在运动过程中比较稳定；

（3）结构不能太复杂，这样有助于控制运动、传递动力、制造容易。

2.2 机器人机身结构设计

四足机器人必须能在水平方面移动，所以在这个方向上的自由度应该满足需求，假如光把自由度为2的腿部结构与躯体相互连接，当随便三个足部结构与地面相接触的时候，因为整个结构具有一个自由度，机器人就难以进行运动；如果呈对角方式的两条腿与地面相接触的时候，机构自由度还是1，这样的话，爬行机器人活动范围就是一条线，大大降低了灵活度，这样只能爬行，但严重限制了其活动范围。这样水平方面的自由的不够，难以让机器人活动。

在壁虎攀爬的时候，通常情况需左右摆动身体进而实现爬行运动，根据仿生这方面的理论知识，把壁虎左右摆动这个动作设计为机器人腰部结构，这个在水平方向实现扭动的自由度增加到四足机器人的步态当中，在一定程度上，增大了整个机构的灵活程度，活动范围大大增大了。

2.3 关节驱动器

因为设计爬行机器人的时候，在空间和尺寸方面的要求比较多，所以选一款在成本、重量和尺寸等等角度上都满足需求的关节驱动器。电机是一种具有代表性的驱动器，电机具有各种各样的类型，比较普遍的电机有直流伺服电机和步进电机，输出力矩不是很大，电机的尺寸还比较大，机器人关节要求驱动器的体积不能太大，因此这种类型的电机会加大机器人整体体积和重量，损耗较多的能量，增加了爬行的难度。经过上述考虑，机器人关机驱动器选用舵机。舵机是一款体积较小位置角度伺服电机，里边安装了能够将位置信息反馈回来的系统，结构简单且比较小，重量不是很重，装起来也比较简单容易，并可以输出较大的力矩，舵机的构成成分主要有位置检测器、外壳、无核心马达、电路板、齿轮。舵机的工作机理为通过接收机发射信号，传给舵机，通过电路板的IC电路来辨别向哪个方向转动，接下来让无核心马达运作起来，通过减速器把输出力矩传送给输出臂，与此同时，位置检测器把信息传送到IC电路，来辨别输出臂有没有到已事先规定好的位置和角度。可变电阻是位置检测器的主要成分，如果舵机转起来的时候，电阻值会随着电机转动而变化，通过测试电阻的大小就可以算出转过了多大的角度。电动机与减速器相连接，带动线性可变电阻来测试处于什么位置，控制电路把反馈电压和输入脉冲信号相比较，如果有偏差出现就会使直流电机运作起来，且基于偏差是正还是负来判断向正方向还是逆向转，这样可以让输出臂的的期望值和输出的位姿对应上，这样当电机具有一定转速的时候，通过减速器带动位置检测器转动，一直等到电压差为0的时候，电机就不再转了。把这个装在爬行机器人腿部关节和其他，能够更好的使机器人关节活动起来，与此同时，体积和重量也不会太大。

[1]宋扬.平面移动关节四足机器人结构设计与步行方法研究[D].哈尔滨工程大学，2010.

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1004-7344（2016）21-0276-01

2016-7-11