六足仿生蜘蛛机器人步态轨迹规划研究

张思晨 莫书维 关荣博 范博

摘  要：六足放生步行机械人基于动力学原理，采用多自由度设计思想，利用多个连杆组建成智能机器人。由于机器人模型结构比较复杂，导致步态轨迹稳定性难以控制。文章采用独立操控方式设计了六足结构，通过MATLAB软件模拟仿真蜘蛛机器人步态轨迹。仿真结果表明，文章设计的机器人结构满足控制需求。

关键词：六足仿生蜘蛛机器人;控制器;步态轨迹

中图分类号：TP242         文献标志码：A           文章编号：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

蜘蛛机器人反应速度较快，移动姿势较为灵活，可以代替人类完成和很多操作。为了深入探究六足蜘蛛机器人功效，可以采用虚拟样机，对机器人步行轨迹进行仿真，根据仿真结果做出适当调整，使其满足机器人操作需求[1]。本文将重点探究蜘蛛机器结构、步态原理，通过构建仿真模型，对机器人进行仿真分析。

1 六足仿生蜘蛛机器结构

1.1 机器人整体设计

为了提高机器人结构强度，本文通过查找文献资料，对机器人结构进行了研究分析，最终选取菱形作为机器人基本结构[2]。该结构不仅能够增加机器人腿部活动空间，而且还能够减少腿部之间的碰撞，避免行走过程中相互干涉。从材料消耗角度来看，菱形机器人还能够减少材料消耗量，整体重量也比较小，这也是蜘蛛机器人行走灵活主要因素之一。选取铝制材料为主要材料，利用外围设备、多种传感器、供电电池、核心控制器单片机构建机器人整体结构。

1.2 躯干设计

为了保证蜘蛛机器人正常运行，必须保证控制器安置位置在一个不容易活动的位置，避免活动幅度较大，对控制器程序命令下达造成影响。本文对机器活动关节进行研究分析，從中选取躯干部位作为控制器安装位置。这种安装方式不仅可以为机器人操控提供便利条件，而且还可以避免控制器受器件活动影响。

考虑到控制器控制操作要求较高，采用传统的开发方式无法满足机器人操控需求。因此，本文选取Arduino作为开发环境[3]。首先，对各个传感进行初始化处理。其次，根据操作需求，对各个传感器下达控制命令，以传感器驱动方式控制机器人运行轨迹，通过调整算法，对数据进行处理，从而实现命令操控[4]。

1.3 头部设计

本文设计的蜘蛛机器人在运行过程中，需要根据采集到的视频信息，对运行轨迹做出调整。根据此运行操控原理，构建三维坐标系，在机器人的头部安装微型摄像头，并利用微型摄像头360度采集视频信息，将采集到的视频信息转换为三维坐标信息，在x，y，z轴上生成移动轨迹，从而获取机器人移动轨迹[5]。另外，考虑到本文设计的蜘蛛机器人还需要具备超声、测距、温度等信息采集功能，为此，本文利用相应传感器采集相应信息，同样将其安装在机器人的头部。通过红外线识别物体，经过无线传输装置传输、接收信号，通过信号分析，获取机器人行走路线障碍物信息，从而实现实时监测。

1.4 机器人的腿部设计

本文采用对称分布法设计机器人腿部分布图，机器人腿部设计综合运动灵活性和承载力两项因素，构建了机器人腿部设计方案。该设计方案选取三角形区域作为重心，可以在一定程度上提高机器人行走稳定性，在此基础上，在设计过程中在各个腿中设计了3个自由度，并在各个腿关节上添加了控制电机，采用独立控制方式，为膝关节、踝关节、腿关节分别编写相应控制程序，在实际操控过程当中，各个关节之间相互独立，可以实现自由行走。以往研究中，增加了腿部机构设计复杂度，虽然丰富了移动功能，但是加大了杆件运行压力，需要处理大量数据，导致机器人运行速度较慢[6]。针对此问题，本文在设计机器人腿部结构时，满足基本操作，简化了腿部机构设计复杂度，使得机器人运行更加灵活。

1.5 整体机械设计

本文采用六足连接设计思想，选取蜘蛛身体驱赶部位作为控制器安装位置，并在头部安装传感器模块，通过连接件建立各个肢体连接，经过拼装连接处理得到仿生蜘蛛机器人。如图1所示为整体机械设计方案。

2 六足仿生蜘蛛机器人步态原理

在众多蜘蛛机器人步态设计方案中，比较经典的设计为三角步态设计方案。通过观察“六足纲”昆虫爬行原理，将蜘蛛的六足划分为两组，采取交替形式方式前行。

蜘蛛的右侧中足与左侧前、左侧后三组构成一组，剩余三组构成另外一组，通过大腿前后划动，从而实现机器人行走控制。在实际操控过程中，通过髋关节沿着垂直方向或者水平方向完成移动行走。在此过程中，三足在原地保持不动，另外三足摆动脚。考虑到蜘蛛的重心比较低，不需要利用Z轴方向调节，简化了步行轨迹研究方案。

如果蜘蛛机器人在行走过程中受到不同因素影响，为了保证机器人能够稳定行走，必须充分考虑步行稳定性。依据三角形稳定原理，如果蜘蛛机器人落脚能够形成一个稳定的三角形，便可以保证其运行稳定性。对于本文设计的六足蜘蛛机器人来说，每三足落地时，在三角形区域内即可。

3 六足仿生蜘蛛机器人步态轨迹仿真分析

3.1 步态轨迹生成流程

本文利用MATLAB软件模拟仿真蜘蛛机器人步态轨迹，通过构建基于Solidworks的三维模型，添加驱动副、约束副，分析曲线与各个环节曲线是否相符，从而得到关节控制量，经过多次调试，最终生成端点轨迹。如图2所示为机器人步态轨迹生成流程。

3.2 仿真模型构建流程

3.3 仿真结果分析

本文以机器人膝关节角度、角加速度、角速度为例，对机器人步态移动进行仿真研究，得到仿真结果。

本文设计的六足蜘蛛机器人关节变化比较平缓，与其相对应的角速度角和速度变化都比较平滑，虽然在转换时刻存在少许波动，但是没有出现突变情况，峰值在500度/秒2以下，在可控范围之内。因此，本文设计的机器人结构方案满足设计要求。

4 结束语

本文针对六足蜘蛛机器人步态稳定性展开研究分析，根据机器人功能设计需求，提出机器人整体、躯干、头部、腿部、機械结构设计方案。利用MATLAB软件模拟仿真蜘蛛机器人步态轨迹，通过观察模拟仿真结果可知，本文设计机器人步态行走关节较为平缓，满足设计要求。

参考文献：

[1]任杰，徐海东，干苏，等.基于Hopf振荡器的六足机器人步态CPG模型设计[J].智能系统学报，2016，11（5）：627-634.

[2]牛建业，王洪波，史洪敏，等.变自由度轮足复合机器人轨迹规划验证及步态研究[J].农业工程学报，2017，33（23）：38-47.

[3]魏武，袁银龙，王新梅.基于影响系数原理的六足机器人运动状态分析[J].系统工程与电子技术，2016，38（2）：375-381.

[4]王云倩，牟玉壮，张剑.基于CPG控制的六足爬壁机器人自主越障研究[J].哈尔滨工程大学学报，2018，39（3）：584-593.

[5]勾文浩，袁立鹏，宫赤坤，等.基于足端轨迹的仿生四足机器人运动学分析与步态规划[J].现代制造工程，2017（7）：37-41.

[6]艾青林，阮惠祥，陈教料，等.基于多维度空间耦合的六足机器人步态规划[J].中国机械工程，2017，28（23）：2829-2838.