陳 濤， 唐 斌， 張 平

( 大連理工大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院, 遼寧 大連 116024 )

0 引 言

隨著全球工業(yè)革命和人類社會(huì)的不斷發(fā)展，機(jī)器(人)在社會(huì)生產(chǎn)生活中的應(yīng)用日益廣泛[1]．傳統(tǒng)剛性機(jī)器人主要由剛性部件構(gòu)成，能適應(yīng)特定的外部環(huán)境約束與障礙，具有高度精確性的特點(diǎn)．然而，剛性機(jī)器人的人機(jī)交互性和變形能力較低，無法適應(yīng)不同的環(huán)境狀況[2]．研究者們通過模仿自然界中的軟體動(dòng)物，研制出了軟體機(jī)器人，以適應(yīng)復(fù)雜多變的工作環(huán)境．軟體機(jī)器人主要采用流體、硅膠、凝膠以及智能材料等制造，具有與軟體生物類似的彈性和可變形性質(zhì)，可以承受大應(yīng)變，實(shí)現(xiàn)大變形[3]．目前，軟體機(jī)器人在原理、模型和技術(shù)等方面都取得了一定的成果，在工業(yè)生產(chǎn)、救災(zāi)救援、醫(yī)療服務(wù)、勘探勘測(cè)等領(lǐng)域具有極大的潛力[4-5]．

軟體爬行機(jī)器人的設(shè)計(jì)靈感源自于大自然中的無脊椎生物，主要研究方向是驅(qū)動(dòng)與材料．基于硅橡膠、水凝膠和形狀記憶合金等材料的流體驅(qū)動(dòng)、線纜驅(qū)動(dòng)以及電磁驅(qū)動(dòng)等不同類型的軟體爬行機(jī)器人正在蓬勃發(fā)展[6]．Shepherd等采用軟光刻技術(shù)，制作了一個(gè)四足五氣室的軟體爬行機(jī)器人，每個(gè)氣室都有單獨(dú)充氣通道，通過控制膨脹序列和壓力，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的多步態(tài)快速運(yùn)動(dòng)[7]．在此基礎(chǔ)上，Tolley等又將控制系統(tǒng)集成到機(jī)器人的身體中，研制了一個(gè)無纜軟體爬行機(jī)器人，可以在惡劣環(huán)境下自主工作，但缺點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)精度低且運(yùn)動(dòng)速度相對(duì)較慢[8]．Gu等與麻省理工學(xué)院研究者合作研發(fā)了一款由介電彈性體驅(qū)動(dòng)的軟體機(jī)器人，其由介電彈性體人工肌肉和靜電吸附腳掌聯(lián)合實(shí)現(xiàn)壁面爬行[9]．受側(cè)頸烏龜啟發(fā)，Drotman等創(chuàng)造了通過氣動(dòng)回路保持系統(tǒng)控制和運(yùn)動(dòng)的四足軟體爬行機(jī)器人[10]．Du等設(shè)計(jì)了一只“派大星”機(jī)器人，它由硅膠泡沫制成，可以安靜且有效地在水中游動(dòng)[11]．Zhu等合成了一種具有動(dòng)態(tài)疏水特征的新型水凝膠智能材料，該水凝膠在水面上可實(shí)現(xiàn)自驅(qū)動(dòng)，無須額外能量供給[12]．

上述軟體爬行機(jī)器人主要基于流體驅(qū)動(dòng)或智能材料驅(qū)動(dòng)等方式設(shè)計(jì)制作而成，電機(jī)-線纜驅(qū)動(dòng)的軟體爬行機(jī)器人研究還比較少[13-14]．線纜驅(qū)動(dòng)的軟體爬行機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、負(fù)載能力高、控制容易等優(yōu)點(diǎn)．相比于常用的氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式，電機(jī)-線纜驅(qū)動(dòng)的控制策略更加成熟，制造時(shí)不需要考慮軟體結(jié)構(gòu)的密封性，驅(qū)動(dòng)動(dòng)作反應(yīng)更快，且無須考慮外界氣壓的影響，能夠在太空、深海等多種惡劣環(huán)境下工作．

盡管前人對(duì)多足軟體爬行機(jī)器人進(jìn)行了較多研究，目前以步態(tài)控制實(shí)現(xiàn)行走功能的線纜驅(qū)動(dòng)軟體爬行機(jī)器人的研究還較少．本文利用電機(jī)-線纜驅(qū)動(dòng)方式，開發(fā)一種由硅膠和3D打印結(jié)合而成的軟體爬行機(jī)器人，初步實(shí)現(xiàn)機(jī)器人爬行中的路徑規(guī)劃．通過對(duì)軟體爬行機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)制作、控制器調(diào)試、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及特性分析，為線纜驅(qū)動(dòng)軟體爬行機(jī)器人的進(jìn)一步研究奠定基礎(chǔ)．

1 軟體爬行機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文提出的電機(jī)-線纜驅(qū)動(dòng)軟體爬行機(jī)器人由3D打印的軀干和3條硅膠腿配合制造而成，總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示．軟體爬行機(jī)器人軀干上方呈三角形方式分布著3個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，每個(gè)電機(jī)連接1條驅(qū)動(dòng)線纜．軟體爬行機(jī)器人前后腿由硅膠腿和摩擦滑塊兩種摩擦因數(shù)(與爬行面之間)差異較大的結(jié)構(gòu)結(jié)合而成．硅膠腿的摩擦因數(shù)較大，PLA材料打印的摩擦滑塊的摩擦因數(shù)較?。ㄟ^控制器控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和時(shí)間，牽拉驅(qū)動(dòng)線，使軟體爬行機(jī)器人前后腿彎曲，產(chǎn)生摩擦力變化，再配合硅膠腿的自動(dòng)回彈，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的爬行運(yùn)動(dòng)．驅(qū)動(dòng)電機(jī)固定在機(jī)器人身上，可使整個(gè)軟體爬行機(jī)器人小型化、靈巧化．

圖1 軟體爬行機(jī)器人的三維模型

1.1 軀干結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制作

為使軟體爬行機(jī)器人的自由度較少且能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)載爬行，軀干由硬質(zhì)PLA材料打印而成．根據(jù)軟體爬行機(jī)器人軀干的形狀和設(shè)計(jì)尺寸，先在Creo中建立三維立體模型并用切片軟件(Cura)進(jìn)行處理，然后利用3D打印機(jī)(ANYCUBIC CHIRON)將其打印出來，如圖2所示．

(a) 模型

1.2 腿結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制作

為使后腿彎曲后的彈力和回彈時(shí)間大于前腿，增加前進(jìn)的能量，將兩條后腿設(shè)計(jì)得比前腿長(zhǎng)且呈漸寬型．鋸齒型肋板的設(shè)計(jì)原則是，滿足腿與爬行面離散接觸的要求，并且能夠降低抗彎截面系數(shù)．每條腿與爬行面存在一定角度，使腿彎曲更容易，而機(jī)器人本身的重力會(huì)使腿與爬行面接觸．

模具打印成型后，使用邵氏硬度為20度的半透明AB混合型硅膠，進(jìn)行等質(zhì)量混合澆注．在室溫澆注后約6 h，該硅膠實(shí)現(xiàn)完全固化．為使?jié)沧⒑蟮能浲刃螤钐匦愿用黠@，在硅膠混合過程中添加了少量黃色染料(不影響硅膠特性)，如圖3所示．

硅膠腿固化完成后，在預(yù)留的驅(qū)動(dòng)線纜孔中嵌入外徑約為3 mm的PVC短管并滴入少量液體速凝膠固定，進(jìn)而減少驅(qū)動(dòng)線纜與軟孔間的摩擦力，降低軟孔與驅(qū)動(dòng)線纜在拉放過程中的磨損．驅(qū)動(dòng)線纜通過在軟腿的末端插入一根粗銅絲固定．在硅膠腿的底端，用速凝膠固定PLA材料打印的摩擦滑塊結(jié)構(gòu)，如圖3所示．

1.3 軟體爬行機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)

軟體爬行機(jī)器人如圖4所示，其前后腿分別固定在軀干上的矩形凹槽中，驅(qū)動(dòng)線纜末端固定在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的D字軸上．本文選取N20型直流減速電機(jī)，其參數(shù)如表1所示．

圖4 軟體爬行機(jī)器人

表1 電機(jī)特性參數(shù)

2 軟體爬行機(jī)器人的控制

軟體爬行機(jī)器人的整體系統(tǒng)如圖5所示．該系統(tǒng)主要由主機(jī)(PC端)、繼電器、RS232通信設(shè)備、控制器、電源以及一些連接元件等組成．其中，主機(jī)用來操作繼電器的上位機(jī)軟件來控制繼電器的信號(hào)進(jìn)而控制軟體爬行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)；RS232通信設(shè)備主要用來連接主機(jī)與控制器并傳遞控制信號(hào)；電機(jī)控制器是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心組件，是接收、放大和處理信號(hào)的載體，用來給驅(qū)動(dòng)電機(jī)傳遞工作信號(hào)；驅(qū)動(dòng)電機(jī)是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的設(shè)備，是軟體爬行機(jī)器人的動(dòng)力源．

圖5 軟體爬行機(jī)器人系統(tǒng)

2.1 運(yùn)動(dòng)過程

三足軟體爬行機(jī)器人的爬行過程如圖6所示，分為起步階段、后腿前移、前腿前移、整體恢復(fù)4個(gè)階段：

(a) 起步階段

(1)起步階段．前后腿的硅膠部分與爬行面接觸，此時(shí)兩者之間的摩擦力較大．后腿的驅(qū)動(dòng)電機(jī)1和2(見圖1，下同)同時(shí)工作，電機(jī)旋轉(zhuǎn)牽拉驅(qū)動(dòng)線纜，使兩后腿彎曲到臨界點(diǎn)，此時(shí)摩擦滑塊與爬行面接觸，兩者之間的摩擦力減小，機(jī)器人整體無位移．將軟體爬行機(jī)器人腿部摩擦滑塊與爬行面開始接觸的時(shí)刻，稱作臨界點(diǎn)．

(2)后腿前移．保持驅(qū)動(dòng)電機(jī)1和2的位置固定不動(dòng)，前腿的驅(qū)動(dòng)電機(jī)3工作．此時(shí)，前腿硅膠部分與爬行面接觸，它們之間的摩擦力大于兩后腿與爬行面間的摩擦力，前腿拉動(dòng)兩條后腿向前移動(dòng)，直到前腿到達(dá)臨界點(diǎn)．保持驅(qū)動(dòng)電機(jī)3的位置固定不動(dòng)．

(3)前腿前移．驅(qū)動(dòng)電機(jī)1和2反向工作，兩條后腿在硅膠彈性的作用下開始恢復(fù)原始形狀，即從摩擦滑塊與爬行面接觸的臨界點(diǎn)，轉(zhuǎn)換到硅膠部分與爬行面接觸的狀態(tài)．此時(shí)兩后腿與爬行面間的摩擦力增大，而前腿與爬行面的摩擦力仍為較小狀態(tài)．后腿推動(dòng)前腿向前移動(dòng)，直到后腿恢復(fù)到初始狀態(tài)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)1和2停止工作．

(4)整體恢復(fù)．驅(qū)動(dòng)電機(jī)3反向工作，前腿在硅膠彈性的作用下開始恢復(fù)原始形狀，此階段機(jī)器人整體無位移．

在12 V電壓驅(qū)動(dòng)下，三足軟體爬行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)周期為1.6 s，整體向前爬行了約23 mm，平均速度約14.4 mm/s．其整體向前爬行的運(yùn)動(dòng)取決于第(2)、(3)階段．在一個(gè)周期的爬行過程中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)1和2的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間是同步等量的，可以保證兩后腿的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和受力一致，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)直線爬行．

2.2 控制系統(tǒng)

基于軟體爬行機(jī)器人的電機(jī)-線纜驅(qū)動(dòng)原理以及運(yùn)動(dòng)過程，設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制系統(tǒng)，如圖7所示．該控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能如下：

(1)產(chǎn)生控制器電流．通過主機(jī)中的繼電器控制軟件，產(chǎn)生自動(dòng)控制繼電器觸點(diǎn)通斷的信號(hào)，作為控制器工作電流．

(2)輸出電機(jī)控制信號(hào)．繼電器的觸點(diǎn)信號(hào)傳送到控制器的信號(hào)端，通過控制器高低電平控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止動(dòng)作．

圖7 軟體爬行機(jī)器人的控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)的核心單元是驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制器，如圖8所示．該控制器電路主要以STC8H1K28單片機(jī)為控制核心，由獨(dú)立按鍵命令輸入模塊、數(shù)碼顯示管及電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片等組成．采用帶中斷的獨(dú)立按鍵輸入命令，對(duì)直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)直接清零、啟動(dòng)、暫停和連續(xù)功能．電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用了兩個(gè)BTN7971B封裝芯片，每個(gè)封裝中包含3個(gè)獨(dú)立的芯片：1個(gè)p型MOS管和1個(gè)n型MOS管共同連接1個(gè)驅(qū)動(dòng)器IC，形成1個(gè)集成的大電流半橋，2個(gè)BTN7971B驅(qū)動(dòng)芯片組合形成H橋電路，實(shí)現(xiàn)輸入與輸出光耦隔離．控制器可實(shí)現(xiàn)0.1 s 的切換，性能穩(wěn)定．

圖8 直流電機(jī)控制器

2.3 運(yùn)動(dòng)控制方案與調(diào)試

主機(jī)和繼電器通過RS232通信接口連接，根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作電壓調(diào)整控制器的供電電壓．由于電機(jī)轉(zhuǎn)速與電壓相關(guān)，需要測(cè)出不同電壓下電機(jī)拉動(dòng)軟腿彎曲到臨界點(diǎn)的時(shí)間，并結(jié)合前后腿的運(yùn)動(dòng)順序預(yù)設(shè)控制器的控制程序，在上位機(jī)中的繼電器控制軟件中編寫指令，使3個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)相互配合，實(shí)現(xiàn)軟體爬行機(jī)器人的爬行或轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)．以直線運(yùn)動(dòng)的控制調(diào)試為例：

(1)同步給驅(qū)動(dòng)電機(jī)1和2的控制器一個(gè)正轉(zhuǎn)時(shí)間，使兩電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩后腿同時(shí)到臨界點(diǎn)；

(2)給驅(qū)動(dòng)電機(jī)3的控制器一個(gè)正轉(zhuǎn)時(shí)間，使電機(jī)驅(qū)動(dòng)前腿到達(dá)臨界點(diǎn)；

(3)同步給驅(qū)動(dòng)電機(jī)1和2的控制器一個(gè)反轉(zhuǎn)時(shí)間，使兩后腿復(fù)位；

(4)給驅(qū)動(dòng)電機(jī)3的控制器一個(gè)反轉(zhuǎn)時(shí)間，使前腿復(fù)位．

圖9為軟體爬行機(jī)器人直線運(yùn)動(dòng)時(shí)3個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)．其中，橫坐標(biāo)為運(yùn)行時(shí)間，縱坐標(biāo)為3個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作狀態(tài)，分別用M1、M2、M3表示．圖中，1表示正轉(zhuǎn)狀態(tài)，0表示停止?fàn)顟B(tài)，-1表示反轉(zhuǎn)狀態(tài)．在直線運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)中，3個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)在不同工作狀態(tài)下的工作時(shí)間均為0.6 s，整個(gè)運(yùn)行周期為2.4 s．

圖9 直線運(yùn)動(dòng)時(shí)的電機(jī)工作序列

在直線運(yùn)動(dòng)控制的基礎(chǔ)上，減少驅(qū)動(dòng)電機(jī)1(左轉(zhuǎn))或驅(qū)動(dòng)電機(jī)2(右轉(zhuǎn))的控制，即可實(shí)現(xiàn)軟體爬行機(jī)器人的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)．轉(zhuǎn)向完成后，即可恢復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的控制．軟體爬行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制方案如圖10所示．

圖10 軟體爬行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制方案

經(jīng)過多次直線和轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)調(diào)試后，確定以9 V 驅(qū)動(dòng)電壓進(jìn)行周期編程實(shí)驗(yàn)，將軟體爬行機(jī)器人的4個(gè)爬行步驟無縫銜接，實(shí)現(xiàn)連續(xù)爬行．

3 實(shí)驗(yàn)與分析

3.1 直線運(yùn)動(dòng)

對(duì)調(diào)試完成的三足軟體爬行機(jī)器人進(jìn)行連續(xù)爬行實(shí)驗(yàn)，以測(cè)試電機(jī)-線纜驅(qū)動(dòng)軟體爬行機(jī)器人的連續(xù)運(yùn)動(dòng)能力．該實(shí)驗(yàn)要求軟體爬行機(jī)器人經(jīng)過多次爬行后仍能保持直線狀態(tài)．實(shí)驗(yàn)方法如下：軟體爬行機(jī)器人在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的平面上移動(dòng)，測(cè)量單周期直線運(yùn)動(dòng)的爬行位移和時(shí)間，計(jì)算出平均速度，見表2．從表中可以看出，該三足軟體爬行機(jī)器人的單周期爬行位移的平均值為25 mm，平均速度的平均值為10.22 mm/s，每周期的爬行時(shí)間Δ為2.4 s，爬行頻率為0.42 Hz．

表2 單周期直線運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將驅(qū)動(dòng)電壓設(shè)為9 V，分別取運(yùn)動(dòng)次數(shù)n為1、3和5，進(jìn)行多次重復(fù)直線運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，得到不同運(yùn)動(dòng)次數(shù)時(shí)，軟體爬行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)參數(shù)的平均值如表3所示．從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，軟體爬行機(jī)器人平均每個(gè)周期的位移d可以在20 mm以上，平均速度v約為10 mm/s，對(duì)應(yīng)的測(cè)量誤差如圖11所示．由圖11可知，隨著運(yùn)動(dòng)次數(shù)增多，累積測(cè)量誤差會(huì)增大．導(dǎo)致此現(xiàn)象的主要原因是，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的穩(wěn)定性以及驅(qū)動(dòng)線纜的纏繞誤差．

表3 軟體爬行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)

圖11 軟體爬行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)位移

為提高軟體爬行機(jī)器人爬行平均速度，增大電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓至12 V，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)其運(yùn)動(dòng)過程如圖12所示．此時(shí)，運(yùn)動(dòng)周期縮短至1.6 s，爬行頻率為0.63 Hz．

(a) t=0 s

兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電壓下，軟體爬行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)時(shí)間與位移關(guān)系如圖11所示．從圖中可以看出，軟體爬行機(jī)器人連續(xù)爬行的平均速度與電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓成正比．當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓從9 V增大至12 V時(shí)，軟體爬行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)周期由2.4 s縮短至1.6 s，爬行頻率提升了50%．

3.2 轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)

在直線運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上，較容易實(shí)現(xiàn)三足軟體爬行機(jī)器人的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)，即保持后左腿(后右腿)不動(dòng)即可．修改控制器編程，進(jìn)行不同驅(qū)動(dòng)電壓下的轉(zhuǎn)向?qū)嶒?yàn)．在驅(qū)動(dòng)電壓為12 V時(shí)，軟體爬行機(jī)器人轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)過程如圖13所示．

(a) t=0 s

軟體爬行機(jī)器人通過固定后腿中的一條來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)，隨著動(dòng)作腿的牽拉，不可避免使固定腿向前移動(dòng)一定的位移．如圖13(d)所示，5次左轉(zhuǎn)后，固定腿向前移動(dòng)的平均位移小于20 mm．不同驅(qū)動(dòng)電壓下，軟體爬行機(jī)器人轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)的結(jié)果及其誤差線如圖14所示．從圖中可以看出，單次轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)的最大轉(zhuǎn)向角θ約為8°，平均轉(zhuǎn)向速度為5.06°/s，且驅(qū)動(dòng)電壓對(duì)轉(zhuǎn)向角影響不大．此外，通過實(shí)驗(yàn)可知，轉(zhuǎn)向角θ與后腿的彎曲狀態(tài)及爬行面的摩擦因數(shù)正相關(guān)．

圖14 軟體爬行機(jī)器人轉(zhuǎn)向次數(shù)與方向角的關(guān)系

根據(jù)爬行和轉(zhuǎn)向的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，本文所提出的軟體爬行機(jī)器人的爬行和轉(zhuǎn)向速度均達(dá)到了較好的水平．在表4中，比較了一些不同研究者研發(fā)的軟體爬行機(jī)器人的爬行和轉(zhuǎn)向性能．

表4 不同軟體爬行機(jī)器人的性能對(duì)比

3.3 路徑規(guī)劃運(yùn)動(dòng)

為使軟體爬行機(jī)器人到達(dá)指定位置，以測(cè)試軟體爬行機(jī)器人直線與轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)結(jié)合的能力，進(jìn)行了路徑規(guī)劃實(shí)驗(yàn)．設(shè)置指定目標(biāo)(小球)位于軟體爬行機(jī)器人正前方130 mm、偏轉(zhuǎn)角30.6°的位置，如圖15所示．根據(jù)軟體爬行機(jī)器人直線運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將驅(qū)動(dòng)電壓設(shè)為9 V，按照平均速度v、最大轉(zhuǎn)向角θ和爬行路徑完成運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和繼電器信號(hào)的編程，進(jìn)行指定路徑實(shí)驗(yàn)．

圖15 指定目標(biāo)的初始位置(t=0 s)

整個(gè)爬行過程分為轉(zhuǎn)向、爬行、再轉(zhuǎn)向、再爬行4個(gè)階段，如圖16所示．首先，進(jìn)行兩次左轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使軟體爬行機(jī)器人前端與小球在同一條直線上，轉(zhuǎn)向的時(shí)間共4.8 s，向左偏轉(zhuǎn)了約15°，如圖16(b)所示．然后，進(jìn)行4次直線爬行運(yùn)動(dòng)，用時(shí)為9.6 s，軟體爬行機(jī)器人前進(jìn)了82 mm，此時(shí)距小球30 mm，偏轉(zhuǎn)角約為21.6°，如圖16(c)～(f)所示．最后，左轉(zhuǎn)一次，如圖16(g)所示，繼續(xù)直線爬行，即可到達(dá)指定目標(biāo)位置，整個(gè)過程用時(shí)24.0 s．

(a) t=2.4 s 轉(zhuǎn)向

在路徑規(guī)劃實(shí)驗(yàn)過程中，軟體爬行機(jī)器人共進(jìn)行了10個(gè)周期的運(yùn)動(dòng)，成功到達(dá)了指定位置，驗(yàn)證了其爬行與轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性及切換能力．

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)并制作了一種具有轉(zhuǎn)向功能的電機(jī)-線纜驅(qū)動(dòng)三足軟體爬行機(jī)器人，由3D打印的軀干和硅膠腿組合制造而成．機(jī)器人前后腿采用鋸齒形結(jié)構(gòu)以減少接觸面積，末端分別固定有摩擦滑塊結(jié)構(gòu)用以輔助機(jī)器人爬行．實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該軟體爬行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力，即每個(gè)周期可爬行20 mm以上、最大轉(zhuǎn)向角可在8°以上，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)爬行和切換運(yùn)動(dòng)模式的路徑規(guī)劃功能．

未來在繼續(xù)優(yōu)化軟體爬行機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用多體動(dòng)力學(xué)方法分析軟體爬行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高爬行速率；同時(shí)進(jìn)一步優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制策略，解決電機(jī)響應(yīng)延遲等問題，使軟體爬行機(jī)器人實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境中的高效運(yùn)動(dòng)．