六足全地形机器人结构设计

张雨航，钱亚伟，鲁 航

(长安大学工程机械学院，陕西 西安 710064)

0 引言

对于灾害现场、外星探测等特殊环境，人为行动存在危险与困难。移动机器人的出现为上述难题提供了解决方案。六足机器人具有仿生类肢体结构，多变步态及高可靠性，成为仿生类移动机器人的典型代表[1]。六足机器人分离式的结构支撑，使其具备更高效的复杂地形适应性，能够实现未知环境中的复杂地形的跨越与通过[2]。 本文设计六足机器人各个零件设计，包括脚板、小腿、大腿、机身、关节等，采用三维建模方式建立六足机器人模型，进行ANSYS仿真分析，并构建机器人实物。

1 机体结构设计

机器人仿生学已经涉及结构、材料、功能、控制以及系统仿生等多方面[3]。蚂蚁类生物是一种非常理想的仿生学目标，其具有爬行灵活、身体构造易分割、腿部结构简单、各部位易于测量等特点，其身体构造如图1所示。根据蚂蚁具有三自由度的足，仿生建立六足机器人的腿部结构，将腿部结构分为基节、大腿与小腿。去除身体冗余的结构，使用一个机身固定腿部结构，形成完整的六足机器人机体。

图1 蚂蚁类生物身体构造

1.1 腿部结构设计

六足机器人腿部结构类似连杆，每条腿的关节处都有相对独立的动力机构(本文设计为舵机)。舵机作用驱动关节活动，基节与机体处的舵机负责机器人肢体的前后移动，用于驱动机器人行走；剩余舵机则是控制机身升降，便于通过障碍物。针对六足机器人的工作方式以及工作特点，设计腿部结构时考虑整机的灵活性、越障性以及稳定性等。分析国内外已经成功的案例，并且通过计算找出腿长比例及足端工作空间的范围。分析腿部数据，对机器人腿部运动空间进行优化，最终求解出最佳的比例。设计腿部结构如图2所示。

图2 腿部机构简图

对机器人足端进行运动学求解

各个关节角度的变化范围为

将各个关节的变量组合带入运动学方程，记录一系列足端坐标，形成点云集，图3为六足机器人足端的运动空间。

图3 足端工作空间云图

由于本文的设计为小型六足机器人，取L1+L2+L3=30 cm,分析不同L1、L2、L3占比形成的足端运动空间面积。如图4所示，基节的比例越小，足端的运动空间越大；大腿比例在0.44～0.45时，运动空间较大。

图4 足端空间面积

足端运动空间面积越大，机器人行动越灵活；由于基节的比例过小，杆件之间会互相干涉，导致灵活度降低。综合考虑机器人避障要求，舵机的安装、维修与便捷连接等情况，最终选定:基节长度约为L1=60 mm;大腿长度约为L2=90 mm;小腿长度约为L3=150 mm。

1.2 六足的布置与搭配

参考自然界六足昆虫及国内外成功案例，六足机器人的身体部分可以为矩形、六边形、八边形、椭圆等[4-7]，六足分布于身体的不同部位。如图5所示。

图5 六足机器人身体配置

图6 六足机器人简图

八边形的身体使腿部有较大的活动范围，各个动杆运动时对彼此的影响较小，同时八边形的身体在体积上占据一定优势，使六足机器人更为灵活小巧而且美观。由于机身需预留足够的空间放置电源、芯片等。因此身体选择厚度为5 cm，中间掏空并配有上盖的长八边形。如图6为八边形身体的六足机器人简图。

2 建模及仿真分析

2.1 模型建立

根据上述设计，使用SolidWorks进行建模，在零件中添加多个减重孔，优化整体重量。图7为六足机器人及零件模型三维模型图，图8为各零件设计图。

图7 六足机器人三维模型图

图8 零件图

2.2 仿真及结果分析

将设计好的SolidWorks三维模型图导入ANSYS软件，六足机器人材料为PAL(树脂塑料)材料，得出各模型部件的等效应力云图以及变形云图。仿真结果如图9-图11所示。

图9 小腿等效应力云图和变形云图

图10 大腿等效应力云图和变形云图

图11 基节关节等效应力云图和变形云图

根据仿真结果分析可知，整体材料最大变形发生在基节关节处，最大变形量约为5.6×10-5m，小于PAL材料最大允许变形量1×10-4m；小腿部分等效应力为15.376 MPa，大腿部分等效应力为12 MPa，基节关节处等效应力为8.6 MPa，均小于PAL材料屈服极限20 MPa。因此，机器人仿真结果符合要求。

2.3 实物展示

本文使用3D打印技术制造六足机器人各部分零件，采用PAL(树脂塑料)材料，其具有强度高且轻便的特点，满足仿真分析中的强度要求。最终整机重量约为5 kg。图12为实物及多种姿态。

图12 实物图

3 结论

1)本文从仿生学的角度设计了一种六足机器人，根据腿部运动空间的大小，确定腿部零件长度比例，经讨论确定了机身形状及六足布置位置。

2)对整体结构和各部分零件进行SolidWorks三维建模并优化，通过ANSYS仿真对机器人进行稳定性分析,并讨论其可行性。最终通过3D打印技术完成机器人实物制造。