韓忠華

摘要：介紹了一種基于電磁驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的爬行機(jī)器人的研究與設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的研究了其結(jié)構(gòu)形式和驅(qū)動(dòng)方式，詳細(xì)的討論了其行走原理。研究證明該爬行機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于控制、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：電磁驅(qū)動(dòng)；爬行機(jī)器人；運(yùn)動(dòng)分析

引言

爬行機(jī)器人是機(jī)器人領(lǐng)域重要的發(fā)展分支。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)尺蠖、蛇、蚯蚓等生物在復(fù)雜環(huán)境下有效運(yùn)動(dòng)機(jī)制展開(kāi)了大量研究，根據(jù)其運(yùn)動(dòng)原理設(shè)計(jì)出尺蠖式、蛇形、蠕動(dòng)式等多種類型仿生爬行機(jī)器人。除了傳統(tǒng)的剛性結(jié)構(gòu)，自由度更高、適應(yīng)性更強(qiáng)的軟體柔性結(jié)構(gòu)也不斷被嘗試應(yīng)用，并取得了良好的效果。

爬行機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式較多，如常規(guī)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)、記憶合金驅(qū)動(dòng)（SMA）、氣動(dòng)、電活性聚合物驅(qū)動(dòng)和化學(xué)驅(qū)動(dòng)等。借助以上驅(qū)動(dòng)方式，仿生爬行機(jī)器人可以完成蜿蜒或伸縮等基本動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)本身的行走。

值得指出的是，對(duì)仿生類爬行機(jī)器人的研究緊密結(jié)合了其實(shí)際應(yīng)用需求。如：針對(duì)狹小、粗糙、陡峭、崎嶇的復(fù)雜環(huán)境下（如災(zāi)難廢墟內(nèi)）探尋、搜救等應(yīng)用，研發(fā)了穩(wěn)定性好、橫截面小、自由度高的蛇形機(jī)器人[1]；針對(duì)工業(yè)管道的監(jiān)測(cè)、檢修等應(yīng)用，研發(fā)了簡(jiǎn)單緊湊、運(yùn)行平穩(wěn)、可靠性高的尺蠖式機(jī)器人[2]；而在醫(yī)療領(lǐng)域，適合柔軟、彎曲環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)蠕動(dòng)式機(jī)器人得到了良好的應(yīng)用與發(fā)展[3]。

本文針對(duì)狹小的平面使用環(huán)境，設(shè)計(jì)了一種基于電磁驅(qū)動(dòng)的爬行機(jī)器人，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制簡(jiǎn)便，橫截面積小，行走效率高，適合在縫隙中穿行。

1.結(jié)構(gòu)組成與驅(qū)動(dòng)原理

1.1結(jié)構(gòu)組成

爬行機(jī)器人是一個(gè)具有應(yīng)用價(jià)值的行走平臺(tái)，整體設(shè)計(jì)應(yīng)滿足擴(kuò)展功能和運(yùn)動(dòng)功能的需求，所以其總體設(shè)計(jì)應(yīng)兼顧擴(kuò)展應(yīng)用接口和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)[4]。

該爬行機(jī)器人由頭部、中間部和尾部三部分構(gòu)成，典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。頭部、中間部和尾部三個(gè)單元內(nèi)都并列安裝兩個(gè)電磁模塊，相互配合、協(xié)調(diào)動(dòng)作進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。頭部、尾部單元結(jié)構(gòu)類似，分別位于機(jī)器人的兩端，其中頭部搭載應(yīng)用模塊（如攝像頭）和控制電路，尾部搭載電池為機(jī)器人提供能源。中間部由一至多個(gè)可拆裝的驅(qū)動(dòng)單元組成。每個(gè)單元都設(shè)計(jì)有與爬行表面接觸的足部，提供爬行所需的摩擦力。所有單元之間采用軟彈簧式柔性連接，可完成任意角度的轉(zhuǎn)彎動(dòng)作。

1.2 驅(qū)動(dòng)方式

爬行機(jī)器人常用的驅(qū)動(dòng)方式有電機(jī)驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)、SMA驅(qū)動(dòng)三種。電機(jī)驅(qū)動(dòng)利用各種電機(jī)產(chǎn)生的力或轉(zhuǎn)矩，經(jīng)過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，獲得要求的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)精度高、響應(yīng)快、易于控制，是應(yīng)用最普遍的驅(qū)動(dòng)方式[5]，但也存在機(jī)械結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜、成本高、維護(hù)難度大等缺點(diǎn)；氣動(dòng)方式則通過(guò)對(duì)機(jī)器人柔性腔體充放氣，致使其發(fā)生發(fā)雜的變形運(yùn)動(dòng)，具有反應(yīng)速度快、功率密度高等優(yōu)點(diǎn)，但需要外置高壓氣源，難以去除拖尾和實(shí)現(xiàn)小型化；SMA驅(qū)動(dòng)是利用形狀記憶合金的特性，通過(guò)控制SMA彈簧上電流的通斷來(lái)實(shí)現(xiàn)伸縮變形，功率密度高、驅(qū)動(dòng)力大，但其響應(yīng)速度慢、效率低，并且易于老化[6]。

基于現(xiàn)有研究，本文提出一種基于電磁鐵磁力的驅(qū)動(dòng)方式，其驅(qū)動(dòng)器是機(jī)器人本體每個(gè)單元都并排安裝的、總體串聯(lián)分布的電磁模塊。電磁模塊采用常規(guī)的鐵芯漆包線結(jié)構(gòu)，上電后周圍會(huì)產(chǎn)生有極性的磁場(chǎng)分布。將一組兩個(gè)電磁鐵串聯(lián)在一起，通過(guò)改變上電電流方向，可以使電磁模塊極性呈現(xiàn)NS-NS或NS-SN形式排列，相互間產(chǎn)生電磁引力或斥力來(lái)實(shí)現(xiàn)吸合或分離的動(dòng)作，完成爬行所需的伸縮運(yùn)動(dòng)。

2.運(yùn)動(dòng)步態(tài)分析

將該爬行機(jī)器人的頭部、中間部和尾部三個(gè)單元分別編號(hào)為1、2、3，未上電時(shí)，由于三個(gè)單元質(zhì)量及與地面接觸面積的差別，可設(shè)定此時(shí)三個(gè)單元與地面的最大靜摩擦力fmax1=fmax3>fmax2。各個(gè)單元之間的柔性彈簧僅起連接作用，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的變形反彈力可設(shè)定為忽略不計(jì)。

2.1 直線行走

系統(tǒng)上電時(shí)，機(jī)器人三個(gè)單元吸合在一起，定義為初始狀態(tài)。直線行走時(shí)，可以將每個(gè)單元中并排的兩個(gè)電磁模塊極性同步變化。從圖2不難看出，其運(yùn)動(dòng)機(jī)理可分為以下三步：

（1）改變單元1電磁模塊電流方向使其磁極反向，此時(shí)單元1受單元2、3的電磁斥力F1，同時(shí)單元2、3受反向電磁斥力F23= F1。當(dāng)fmax2+ fmax3> F1> fmax1時(shí)，單元1開(kāi)始向前運(yùn)動(dòng)，單元2、3仍吸合在一起保持靜止。此步驟完成后，機(jī)器人實(shí)現(xiàn)狀態(tài)1；

（2）改變單元2電磁模塊電流方向使其磁極反向，此時(shí)單元2受單元1的電磁引力F2和單元3的電磁斥力F2”，即其所受合力F2= F2+ F2”；同時(shí)單元1受反向電磁引力F1= F2，單元3受反向電磁斥力F3= F2”。當(dāng)F2> fmax2、F1< fmax1、F3< fmax3時(shí)，單元2開(kāi)始向前運(yùn)動(dòng)與單元1吸合，單元1、3保持靜止。此步驟完成后，機(jī)器人實(shí)現(xiàn)狀態(tài)2；

（3）改變單元3電磁模塊電流方向使其磁極反向，此時(shí)單元3受單元1、2的電磁引力F3，同時(shí)單元1、2受反向電磁引力F12= F3。當(dāng)fmax1+ fmax2> F3> fmax3時(shí)，單元3開(kāi)始向前運(yùn)動(dòng)，單元1、2仍吸合在一起保持靜止。此步驟完成后，單元1、2、3吸合到一起實(shí)現(xiàn)狀態(tài)3，即回到初始狀態(tài)。此時(shí)，機(jī)器人完成一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期，向前行走一個(gè)步距l(xiāng)。

2.2 轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)

給兩列電磁鐵模塊分別編號(hào)為A、B，當(dāng)每個(gè)單元的兩個(gè)電磁模塊電磁極性方向和大小分別按一定規(guī)律變化時(shí)，機(jī)器人可以完成轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)。如圖3，設(shè)定讓電磁模塊產(chǎn)生前N后S極性的電流方向?yàn)檎?，則在右圖中電磁模塊電流的變化規(guī)律下，機(jī)器人可以分步驟對(duì)應(yīng)實(shí)現(xiàn)左圖所示狀態(tài)，完成一個(gè)角度為θ轉(zhuǎn)彎的運(yùn)動(dòng)周期。

轉(zhuǎn)彎角度θ與單元運(yùn)動(dòng)時(shí)所受力和力矩的大小和方向相關(guān)，而作用力和力矩都是通過(guò)磁鐵模塊產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互施加給對(duì)方的。實(shí)際上，根據(jù)場(chǎng)分布的特性，在本文討論的先并列后串聯(lián)的電磁模塊分布驅(qū)動(dòng)方案中，只需一方的磁場(chǎng)分布不均勻即可產(chǎn)生偏離直線的運(yùn)動(dòng)。所以，除了圖3所示的電流變化規(guī)律外，電流方向不變、大小變化也可完成角度較小的轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)。這就意味著如果在驅(qū)動(dòng)端采用PWM方式控制輸入的電壓和電流，可以使機(jī)器人獲得較高精度的行走軌跡，大大提高了其操控性和實(shí)用性。

3.延伸研究

如何提高運(yùn)動(dòng)能力（包括速度、精度、靈活性）和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力，一直是爬行機(jī)器人研究的關(guān)注熱點(diǎn)，其關(guān)鍵技術(shù)包含機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)方式和控制算法三個(gè)方面。電磁驅(qū)動(dòng)是一種結(jié)構(gòu)極其簡(jiǎn)單、操控方便、低價(jià)高效的驅(qū)動(dòng)方式，易于小型微型化后驅(qū)動(dòng)一些特種機(jī)器人。本文所提出的機(jī)器人結(jié)構(gòu)僅是一種可行性驗(yàn)證方案，如果經(jīng)設(shè)計(jì)后搭載相應(yīng)的結(jié)構(gòu)平臺(tái)（如多節(jié)蛇形結(jié)構(gòu)），也可驅(qū)動(dòng)蜿蜒、3D等運(yùn)動(dòng)方式，完成越障、攀爬甚至跳躍等復(fù)雜動(dòng)作，所以后續(xù)研究將圍繞其應(yīng)用平臺(tái)的拓展而展開(kāi)。

4.結(jié)論

提出了一種基于電磁驅(qū)動(dòng)的爬行機(jī)器人設(shè)計(jì)方案，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)小型化和微型化，適合在狹小縫隙中穿行使用。與常規(guī)的驅(qū)動(dòng)方式比，電磁驅(qū)動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制簡(jiǎn)便，成本低、效率高等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于多種類型的爬行機(jī)器人平臺(tái)。

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