陳書鴻，劉方慶，林益凡，郭金泉*

（1.福州大學(xué) 機械工程及自動化學(xué)院，福州 350000；2.福建信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福州 350000）

在許多河道、沿海區(qū)域都有蟹類的身影。蟹的尾部造型與其他的十目足不一樣，卷縮于胸腔底下，背甲一般會更寬闊。胸足長在胸腔兩側(cè)，一對大螯是由首對胸足轉(zhuǎn)化而成。尋常濱蟹的橫行步態(tài)更是廣為人知，這亦是大多數(shù)蟹類所共有的特點[1]。晚唐時期的詩人皮日休在《詠蟹》[2]一詩中說螃蟹“海龍王處也橫行”。由此可見，“橫行霸道”已經(jīng)成為對蟹類的第一印象；而它那一對大螯更是讓它“威風(fēng)”不減。

目前有部分學(xué)者根據(jù)螃蟹的外形等特點，開展了仿真機械螃蟹的研究。韓國海洋科學(xué)研究院與韓國5 所高校共同開發(fā)了“螃蟹”型機器人[3]，其具有多個活動樞紐，下潛深度達(dá)200 m，超聲波攝像頭保證在水波渾濁時也能拍到機身15 m 之內(nèi)的畫面，該螃蟹機器人于2014 年被運至彭木港投入“歲月號”沉船的搜救工作。美國西北大學(xué)技術(shù)員還自制出一種能站在硬幣邊沿的螃蟹[4]。該種微型的機械蟹能夠“走動、屈曲、扭曲、拐彎和跳動”，研究組利用掃描的激光束在其身子的不同位置快速加熱其身上的形狀記憶合金材料，使其形變并進(jìn)一步地促使機器人移動。國內(nèi)首個自主研發(fā)的仿生螃蟹[1]，在2007 年7 月進(jìn)行了上百次試驗，最終成功。這種仿生機械蟹大約有60 cm 長，35 cm 寬，25 cm厚，體重12 kg，能以0.54 km/h 的速度行進(jìn)，這只仿生螃蟹配備GPS，可以在4 m 深的水下搜索、偵察和拍照。國內(nèi)外學(xué)者雖然開展了相關(guān)的研究，但對螃蟹的“橫行”和大螯的運作機理還認(rèn)識不充分，因此有必要針對螃蟹這2 個特征開展系統(tǒng)研究和仿生學(xué)設(shè)計研究。本文通過仔細(xì)觀察活體螃蟹的運動，利用仿生學(xué)原理設(shè)計了一款八足機械螃蟹，期望能以此對螃蟹的運動做更多結(jié)構(gòu)學(xué)上的分析，并為管道等狹小地方的檢測提供可行性方案。

1 仿生螃蟹的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

仿生螃蟹由主體機構(gòu)、步足運動機構(gòu)、蟹鉗夾持機構(gòu)共同組成，如圖1 所示。主體機構(gòu)由支撐板、支撐架和電機架等組成，對稱地設(shè)置。步足運動機構(gòu)安裝在基板前后對稱位置，包括步足結(jié)構(gòu)、傳動齒輪、行走主動齒輪和行走步進(jìn)電機。步進(jìn)電機在底板上，而支撐板在底板的一端。行走傳動裝置設(shè)在2 個支撐板中間。行走的主動齒輪與步進(jìn)電機的輸出軸相配合。在每一個傳動裝置的前、后2 面上都裝有一個步足結(jié)構(gòu)。每個步足由3 個連桿和1 個足組成。主搖桿的一端固定于支承板中上部，而另一端則連接于足的一端；驅(qū)動連桿一端連接于傳動齒輪，另一端連接于足的三分之一處；輔助搖桿一端固定于支撐板下方翼側(cè)，另一端與驅(qū)動連桿的中部相連。蟹鉗包括電機架、主動齒輪、齒桿、爪棒和連桿等。蟹鉗主要由2 個不完整的鑰匙狀齒輪雙搖桿機構(gòu)組成，通過擺動方向舵實現(xiàn)蟹爪內(nèi)部45°左右的擺動，模擬抓取動作。2 只蟹鉗安裝在腳部運動的主體上，整個蟹爪可由人工改變在連桿的不同高度，一對螯足對稱放置如圖1 所示。

圖1 仿生螃蟹對稱性結(jié)構(gòu)

2 仿生螃蟹各運動構(gòu)件設(shè)計

2.1 主體機構(gòu)設(shè)計

仿生機械蟹的主體機構(gòu)起到固定支撐其他運動構(gòu)件的作用。本產(chǎn)品設(shè)計為驅(qū)動電機和電池預(yù)留了位置，使得動力原件能夠安裝在機械蟹的主體機構(gòu)上。主體機構(gòu)為前后對稱布置，包括支撐板、電機架、支撐架和連桿等部分。其中，前支撐板上安裝有連桿可以用來限制機械蟹鉗的高低位置，如圖2 所示。

圖2 機械蟹主體框架

2.2 步足機構(gòu)設(shè)計

通過對螃蟹橫向的觀察，本文采用曲柄搖桿機構(gòu)進(jìn)行仿生學(xué)設(shè)計，但是最常見的平面四桿機構(gòu)并不能實現(xiàn)螃蟹腿部抬起、邁步、收回的周期動作。因此，壓片機上加壓機構(gòu)的平面六桿形式對于設(shè)計螃蟹腿部運動很有參考意義，該機構(gòu)采用雙支點固定、轉(zhuǎn)動輸入和滑動輸出等方式實現(xiàn)藥片粉料的上料、加壓和下料功能，因此只要取消移動副的固定約束，并移除滑塊，其最后一級連桿的運動方式就可模擬螃蟹腿部運動。通過施加的曲柄搖桿機構(gòu)，實現(xiàn)了蟹腿的仿真，用雙馬達(dá)分別控制兩對步足[5]。利用單片機作為核心控制器對步進(jìn)電動機進(jìn)行細(xì)分驅(qū)動和轉(zhuǎn)速檢測并輸出相應(yīng)信號到各個驅(qū)動器以實現(xiàn)不同功能，每臺電機都控制著前后4條腿。

2.3 蟹腿的設(shè)計簡圖

采用簡化畫法繪制腿部機構(gòu)，如圖3 所示。其中，大腿根側(cè)與傳動齒輪均與機械螃蟹的機體連接，構(gòu)成固定鉸鏈。由于電動機通過傳動機構(gòu)驅(qū)動齒輪曲柄來改變腿與下肢之間的距離，從而達(dá)到調(diào)節(jié)腿部運動速度的目的。因此在電動機驅(qū)動齒輪曲柄旋轉(zhuǎn)的過程中，大腿可以達(dá)到上擺的效果，即令小腿離開地面；而當(dāng)大腿垂下的時候，小腿與地面接觸，產(chǎn)生摩擦力。此時，通過連桿拉動并將其移動至合適位置后再停止驅(qū)動電機。由于電機一直處于轉(zhuǎn)動狀態(tài)，然后搖桿相對于電機擺動，從而帶動電機沿規(guī)定方向移動。

圖3 步足結(jié)構(gòu)簡圖

2.4 步足的結(jié)構(gòu)

如圖4 所示，2 個步足之間由3 個齒輪連接。2 個帶有3 個圓孔的支撐板通過銷孔的過盈配合連接，板面間距比齒寬略大。支撐板中間3 個圓孔的位置分別約束3 個齒輪。由于電動機通過傳動機構(gòu)驅(qū)動齒輪曲柄來改變大腿與下肢之間的距離，從而達(dá)到調(diào)節(jié)腿部運動速度的目的。齒輪安裝后的嚙合狀態(tài)確定仿生螃蟹步足初始狀態(tài)，還確定仿生機械螃蟹步長與跨距。本設(shè)計是以確保機體穩(wěn)定性為前提的，跨距、步長均可調(diào)整，具有分散性。兩對步足齒輪鉸鏈處相隔180°時，整個機構(gòu)作交替周期運動以達(dá)到機械橫向爬行的目的[6]。

圖4 兩對步足的結(jié)構(gòu)

螃蟹其實是可以做到小幅度繞彎兒的，腿關(guān)節(jié)并不是直直地只能向一個方向彎曲，而是由軟組織相聯(lián)的，能夠略微地把腿朝前、后彎，不過幅度較小，因此轉(zhuǎn)彎半徑小。但作為仿生機械螃蟹，能夠克服這一螃蟹天生的缺陷。本文采用雙馬達(dá)的不等速轉(zhuǎn)動驅(qū)動2 齒輪組差速轉(zhuǎn)動，由此導(dǎo)致前、后體線性位移速度不一致，實現(xiàn)螃蟹橫向弧線移動。采用雙馬達(dá)等轉(zhuǎn)速反向旋轉(zhuǎn)，前軀體和后軀體的線性位移的大小一致而方向相反。此時前軀體和后軀體步長一致，可以達(dá)到原地轉(zhuǎn)向的目的。如圖5 為機械蟹軀體示意圖。轉(zhuǎn)向運動時，旋轉(zhuǎn)中心始終在軀體中軸線上，旋轉(zhuǎn)曲率由電機軸的轉(zhuǎn)向以及轉(zhuǎn)速決定。

圖5 機械螃蟹軀體示意圖

2.5 蟹螯機構(gòu)設(shè)計

螃蟹的蟹螯類似鉗子可以一開一合地抓取食物，可以通過二爪式機械爪來實現(xiàn)。盡管螃蟹的鉗子只有上半鉗可以移動，但該產(chǎn)品為增加夾取空間而利用齒輪組來控制兩對夾爪進(jìn)行開合動作。本新型機械通過1 臺電動機驅(qū)動齒輪轉(zhuǎn)動，進(jìn)而將蟹2 只前螯拉起并張合以達(dá)到對蟹螯夾緊作用。如圖6 所示機構(gòu)是1 種單自由度齒輪搖桿機構(gòu)，這就意味著只要裝上1 個可通過單片機進(jìn)行正反轉(zhuǎn)控制的舵機，就能達(dá)到夾取和松動的效果。如圖6 所示，最下方的主動齒輪帶動右側(cè)齒桿旋轉(zhuǎn)，右側(cè)齒桿帶動左側(cè)齒桿旋轉(zhuǎn)。2 個雙搖桿機構(gòu)相向擺動，使從動搖桿的末端相向運動或反向運動。

圖6 蟹螯機構(gòu)簡圖

3 仿生螃蟹運動設(shè)計

3.1 步足運動設(shè)計

該仿生螃蟹的最大特征在于它與普通關(guān)節(jié)機器人的驅(qū)動模式不同[7]。如圖7 所示為步足運動機構(gòu)，主齒輪由步進(jìn)電機帶動逆時針旋轉(zhuǎn)，從而帶動兩側(cè)的傳動齒輪等速順時針旋轉(zhuǎn)。傳動齒輪與步足共同組成步足六桿機構(gòu)。步足六桿機構(gòu)由5 個活動構(gòu)件及7 個旋轉(zhuǎn)副構(gòu)成，自由度為1。因此只要確定了步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向，足端的運動軌跡便可以唯一確定。傳動齒輪帶動左右步足做不同形式的運動——左步足足端迅速抬起并向外伸展，然后緩慢落地并回收，接著再向外伸展；右步足迅速抬起并向內(nèi)回收，然后緩慢落地并向外伸展，接著再向內(nèi)回收。左右步足雖然運動模式不同但都具有急回特性，使足端在與地面接觸時不會打滑，同時保證了運動的效率。

圖7 步足運動主體結(jié)構(gòu)

其中傳動齒輪、驅(qū)動連桿、主搖桿、輔助搖桿、足和支撐板構(gòu)成齒輪曲柄搖桿機構(gòu)[1]。主齒輪與2 個相隔180°的對心驅(qū)動齒輪相配合，主齒輪轉(zhuǎn)動驅(qū)動齒輪曲柄搖桿，從而帶動足運動。合適的尺寸設(shè)計以確保步足能夠有規(guī)律地進(jìn)行邁步運動。

3.2 蟹螯運動設(shè)計

蟹鉗的總體結(jié)構(gòu)為每只蟹鉗本體分別裝在蟹腳板的兩邊，蟹鉗本體由連桿、爪桿、鑰匙型齒桿、連接臂、抓握舵機、擺動舵機、電動機架和固定架組成。固定支架將蟹鉗和支承板固定起來，搖擺舵機安裝在連桿臂上，電機架安裝在連桿臂上，搖擺舵機的輸出軸與連桿臂相連。連接臂用銷子固定在固定架上。在電機架上還裝有2 個鑰匙型齒桿及2 個搖桿。爪桿的一端與齒桿形成活動鉸鏈，中間部分與搖桿相連形成鉸鏈。2 個鑰匙型齒桿對稱地布置并嚙合在一起。在抓握式舵機旁，有1 把鑰匙形的齒桿，其與抓握舵機的輸出軸相嚙合。在蟹鉗上裝有搖擺的舵機，主軸由電動框架連接至固定托架，可作45°的旋轉(zhuǎn)。2 個齒桿、4 個爪桿及4 個連桿組成了1 個左右對稱的雙搖桿機構(gòu)。鑰匙型齒桿屬于外嚙合，轉(zhuǎn)動方向相反。其帶動蟹螯左右兩側(cè)的雙擺動機構(gòu)，實現(xiàn)了鉗夾和松開的動作。如圖8 為蟹螯夾取的姿態(tài)，從蟹鰲結(jié)構(gòu)俯視圖圖9 來看，主動齒輪逆時針旋轉(zhuǎn)，通過外齒輪副帶動與其相連的齒桿順時針旋轉(zhuǎn)，同時帶動另一齒桿逆時針旋轉(zhuǎn)。這樣，與齒桿相連的2 個雙搖桿機構(gòu)相向擺動，2 個爪桿相互靠近，實現(xiàn)抓取動作。實際上，為了便于螃蟹的蟹螯下半部分固定，只有通過上半部分的旋轉(zhuǎn)才能實現(xiàn)夾取動作。因此，生物蟹蟹螯張開的極限角度通常不大于90°，夾取范圍有限。

圖8 蟹螯結(jié)構(gòu)模型（略去固定架）

圖9 蟹螯結(jié)構(gòu)俯視圖

4 仿真內(nèi)容

4.1 步足運動仿真

按照型綜合和尺度綜合的結(jié)果，使用Solidworks軟件對機械蟹主體各個零件進(jìn)行建模，然后將各個零件進(jìn)行裝配。使用軟件自帶的運動算例功能對其進(jìn)行運動仿真。機械蟹主體構(gòu)造的模型如圖10 所示。對主齒輪添加一個旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，使其作為模擬電機帶動主齒輪旋轉(zhuǎn)。對環(huán)境添加重力等條件，前后2 個螃蟹主體對稱放置，減少其在運動時的重心偏移。對于同一傳動齒輪帶動的2 個步足，做一前一后的交替運動，類似人類的行走動作。仿真結(jié)果為八只步足交替做周期運動，控制旋轉(zhuǎn)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向可以控制機械蟹的移動方向和移動速度。

圖10 螃蟹主體步足運動

4.2 步足運動分析

所設(shè)計的八足機械螃蟹運動中心對稱，均由電機驅(qū)動，故運動分析過程中可對一側(cè)的模型進(jìn)行分析。通過設(shè)計各個零件之間的連接，同時選用點面約束來限制蟹腿與地面之間的關(guān)系，用于模擬機構(gòu)的運動特性。驅(qū)動連桿、主搖桿、輔助搖桿和足之間采用轉(zhuǎn)動副進(jìn)行連接。主齒輪與2 個相隔180°的對心驅(qū)動齒輪進(jìn)行齒輪配合，對心驅(qū)動齒輪與連桿之間通過轉(zhuǎn)動副進(jìn)行連接，來實現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)的運動過程。

為了建立裝卸單元系統(tǒng)的動力學(xué)仿真模型，首先需要將裝卸單元系統(tǒng)進(jìn)行簡化。簡化的目的是減少最終轉(zhuǎn)配體中的零件數(shù)目，僅保留存在相對運動的構(gòu)件，將相對靜止的零件整合為1 個構(gòu)件，以大幅減小在動力學(xué)分析軟件中的約束施加的難度。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，機械螃蟹同側(cè)所對應(yīng)的蟹腿與整體的連接點分別位于對芯驅(qū)動齒輪180°處，同一時間當(dāng)一對腿與地面相接觸時，另一對腿處于懸空狀態(tài)，其中運動狀態(tài)如圖11 所示，通過循環(huán)往復(fù)，周而復(fù)始，從而達(dá)到前進(jìn)的效果。

圖11 運動狀態(tài)對比圖

在橫向運動過程中，決定機械螃蟹運動速度是電機轉(zhuǎn)速，通過系統(tǒng)控制選定不同轉(zhuǎn)速可以改變機械螃蟹的橫向前進(jìn)速度，并且可以通過設(shè)定螃蟹兩邊電機不同轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。以對芯驅(qū)動齒輪轉(zhuǎn)速30.0 rad/s為例，對應(yīng)機械螃蟹橫向的運動位移與速度曲線如圖12 所示。由圖可知，螃蟹橫向運動為周期性運動，并且能夠?qū)崿F(xiàn)所基本要求的橫向移動。進(jìn)而通過整理分析得到不同轉(zhuǎn)速對應(yīng)螃蟹橫向運動位移與速度曲線分別如圖13 和圖14 所示，由圖13 和圖14 可知，可以選定不同的電機轉(zhuǎn)速，以適應(yīng)不同的運動環(huán)境。

圖12 機械螃蟹橫向運動位移與速度曲線圖

圖13 不同轉(zhuǎn)速對應(yīng)螃蟹橫向運動位移曲線圖

圖14 不同轉(zhuǎn)速對應(yīng)螃蟹橫向運動速度曲線圖

4.3 蟹螯運動仿真

按照型綜合和尺度綜合的結(jié)果，使用Solidworks軟件對蟹鉗各個零件進(jìn)行建模，然后將蟹鉗各部分零件進(jìn)行裝配。使用運動算例功能對其進(jìn)行運動仿真，繪制出爪棒前點的運動軌跡（圖12）。在設(shè)計時搖桿部分形狀為平行四邊形，故爪棒的運動為平移，保證爪棒的鋸齒部分始終相對。齒桿能夠繞軸銷旋轉(zhuǎn)90°，故單個爪棒前點的運動軌跡為四分之一圓弧。一對爪棒前點的運動構(gòu)成了半圓弧，使機械蟹螯能夠向前抓取體長不超過半圓弧直徑的物體。爪棒的平移始終沿著半圓弧的切線方向，若將其看作集中于前點的質(zhì)點，則該質(zhì)點做勻速圓周運動，運動速度由電機轉(zhuǎn)速決定。除此之外，通過在蟹螯前端放置壓力傳感器，來檢測蟹螯在夾取過程中的受力變化，可以更方便地控制整個機構(gòu)運動。

圖15 蟹螯前爪軌跡

5 結(jié)論

本文對活體螃蟹的運動和大螯運作進(jìn)行了觀察研究與尺寸測量，通過仿生學(xué)原理設(shè)計了一種具有八腳結(jié)構(gòu)、兩鉗組成的仿生機械螃蟹，它是由行走步進(jìn)電機帶動的擺動機構(gòu)來完成基本的行走和轉(zhuǎn)向；由抓握舵機驅(qū)動雙搖桿機構(gòu)，可以實現(xiàn)蟹鉗鉗口的開閉；用2 個不完整的雙搖桿機構(gòu)來控制抓持舵機，以完成對鉗夾的抓取。通過對設(shè)計的仿生機械螃蟹進(jìn)行型綜合和尺度綜合，并進(jìn)行運動仿真，使仿生機械螃蟹能夠模擬蟹類的橫向運動和蟹螯的夾持運動2 個重要特征。這種仿生機械螃蟹外形更像是真正的螃蟹，可以更逼真地模擬出正常的螃蟹在生存環(huán)境中的移動，能夠適應(yīng)崎嶇的地形或跨越大型障礙物（如溝、坎等），具有成本低、傳動靈活、維護(hù)簡單和還原度高等特點，同時為在管道等狹小地方的檢測提供一種可行的方案，具有很強的工程意義和應(yīng)用價值。但由于初步嘗試仿生機械設(shè)計，并未制作樣機實驗，因此后續(xù)將在樣機實驗和具體工程應(yīng)用上作進(jìn)一步探討。