对仿生爬行动物机器人的研究与设计

2022-11-11贺方心李涵倪望曦李知旻

电子测试 2022年20期

贺方心，李涵，倪望曦，李知旻

（东北林业大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨, 150040)

0 引言

随着科技的发展，动技术的研究，仿生技术早已进入并潜移默化的影响我们的生活。多足机器人是通过模拟爬行动物的爬行方式，并采用多关节结构进行运动的一类机器人。在生产实践中，我们将足数大于四足的机器人统称为多足机器人。多足仿生机器人研究一直是国内外研究的热点之一。在不良地形中，轮式、履带式机器人的工作和生产严重受限，为了进一步实现提高在复杂地形或不良状况下的生产生活能力，多足机器装置的出现及研究便具有了十分重要的意义。

作者通过对于多足仿生机器人的研究，对于鳄鱼运动状态的细致观察，模拟一种模仿鳄鱼腿部的四足运动结构，通过肢体和电机的连接形成了一个基于Arduino主控的多足仿生机械装置。仿生鳄鱼的尾部采用多舵机的柔性关节，主要结构主要由四个腿部、躯体、尾部和头部组成。其中腿部是实现运动的重要组成部分。腿部由六个主要结构组成，通过转轴实现前肢和后肢共同控制，舵机控制器收到命令后通过传动轴来控制机器人腿部运动，通过改变电机的转速来实现装置的前进和转向。两栖运动模式仿生鳄鱼能够实现陆地和水下的两栖运动。

1 课题研究的背景和意义

基于轮式、履带式机器人以往运动局限性的情况，随着人们在生产生活中对于机器人稳定性高，适应能力强的需求日益高涨。能够适应恶劣、复杂的地形的机器人，逐渐有了更重要的作用。而且，伴随着人们的研究与发展，多足机器人的运动稳定性和精确度有了较大提升。多足仿生机器人比其它类型机器人更有优势，比如，多足机器人能更好的适应复杂多变的地形和环境，利用多关节结构，实现多自由度的协调运动，使其更加稳定灵活。多足仿生机器人与地面之间使用球面接触，可以大大降低接触面积，使其在崎岖不平的地形中，能够运行更平稳，增强其对于地形的适应能力。通过这种独特的仿生结构，使这类多足仿生机器人能够模拟鳄鱼运动的过程。

2 系统总体方案设计

本系统采用以Arduino为控制核心，在硬件主控板的ARM微处理器上能完成32位指令，可快速控制舵机运动。系统通过三角步态来实现自身的平稳运动，根据GF集理论单条腿设计三个主要关节，通过一个舵机与传动轴实现前两肢的协调运动，后肢同理，在多足机器人行走步态时保证至少有2条腿与地面接触作为支撑。这种结构设计提高了装置的运动平稳性，并避免了在运动过程中腿部之间的影响与干涉，而且极大的增大装置的腿部运动空间。参考文章在前进方向线与机器人底板中心处线段的夹角α变化范围不大的前提下，增大机器人重心与重心在底面投影的距离，从而提高机器人运动的稳定性。

可以在复杂的路面上采用智能方式调整步态，增强适应能力，例如通过计算机运算得出最佳步态从而稳定行走。

在绘制模型环节，本装置使用的绘图软件是SOLIDWORKS。先对于装置进行整体绘制，模拟装置整体运动状况。然后设计零件，并导出图纸进行加工。最后将各个部分组装，完成整体架构。

2.1 腿部结构分析

如图1所示，本系统腿部采用9杆相连的具有1个自由度的结构，元件结构简单、可靠性强、使用寿命高。在生理上模拟踝关节，膝关节，髋关节等骨骼形式。模拟真实的动物运动结构，通过舵机带动主轴旋转，再通过圆锥齿轮带动传动轴的旋转，从而形成腿部运动。采用电驱动的方式，具有清洁环保、噪音小、控制精确、抗干扰能力强。随着近几年电机的发展，大扭矩高转速电机的出现，对于多足仿生机器人的研究发展具有重要意义。腿部优化通过MATLAB工具进行优化分析，通过有限元分析结构对每一个单元和节点进行运动分析，最终得出最优结构方式。

图1 腿部机构

机器人所有的关节结构均由电机控制，关节间采用铝合金材质的链接件，可以增加机器人运动的平稳性和灵活性。其整体结构设计可以使多足机器人很好地模拟爬行动物的运动步态和方式，这种结构设计提高了机器人的稳定性，并能减少在运动过程中腿部之间的碰撞，而且极大的增大机器人的腿部运动空间。

在一般情况下，将电机的控制线与单片机的一个控制管脚连接在一起即可实现对于舵机控制，这种控制原理被称为PWM。但对于情况更复杂的多足装置而言，由于其具有多关节的结构，因此需要改进原有的PWM控制方法，也就是能同时对多舵机进行操控，即多路PWM信号进行控制。由于电机控制器并不具备自我思考的能力，所以必须预先设置运动指令，之后电机才可根据指令进行运动，其舵机控制器则作为一个接受命令的从机。其控制核心采用STC89C53单片机，由它发送控制命令，由电机控制板负责生成控制信号并驱动多足机器人的各部分结构协同运动。使用计算机对于单片机串口通信程序编写，并向控制器传送控制指令，实现相应的步态动作。根据多足机器装置对爬行轨迹及位置信息的检测，arduino主控板便给电机发送不同的转速指令，然后自动调整转速。

3 关于有限元在本机构中的应用与分析

有限元分析的方法在结构优化中有着十分广泛的应用。有限元分析首先要将所需结构进行离散化，得到一个一个独立的细小单元，然后分析每个小单元的节点位移与节点力，并对于力与位移的关系进一步探究分析。然后将每个细小单元进行组合，对每个细小单元的力与位移进行整合分析，得到整体的节点位移与节点力的方程。通过解这个方程，便可以得到未知节点的位移。再将节点位移带入每个细小单元，便可求出整个离散模型的最终数值解答。

在本装置中，通过SOLIDWORKS对于足部的组成杆件的位移应变和应力等进行分析。以腿部结构中与轴相连的杆件为例，对于此杆件进行有限元分析。

本装置采用的电机是ZLSZ42集成式闭环步进电机，输出保持力矩为0.72N.m。经过传动机构，算出杆件所受的力为：60N.m的力矩和50N的正压力。在SOLIDWORKS将此杆件离散化后，固定其与轴相连的表面，并将相应的力施加在此表面，从而得出此杆件的应力，位移与应变情况。图2便为杆件的离散化模型，图3,图4和图5显示了此杆件的应力，位移与应变情况。