帖軒正，李秋宇，嚴 潔，楊 瀟，周 鵬，駱 佼※

（1.上海工程技術(shù)大學藝術(shù)設(shè)計學院，上海 201600；2.上海工程技術(shù)大學機械與汽車工程學院，上海 201620）

0 引言

隨著時代和技術(shù)的進步，四足機器人的實用價值逐漸凸顯。與輪式、蠕動式等機器人相比，四足機器人具有機體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、運動靈活、受地形限制少等優(yōu)點，在航空航天、預警偵察、補給運輸?shù)阮I(lǐng)域具有廣泛的應用前景[1]。四足機器人因獨特的結(jié)構(gòu)設(shè)計和復雜的驅(qū)動控制方式，成為研究熱點之一。但大多四足機器人仍需電控與復雜結(jié)構(gòu)之間的配合才得以完成仿真的效果。仿生機器人就是模仿自然界中生物的精巧結(jié)構(gòu)、運動原理和行為方式等的機器人系統(tǒng)?？茖W家們向生物學習，創(chuàng)造出了眾多高性能的仿生機器人，如機器魚、機器蛇、機器蠅，以及各種仿生材料[2]。仿真機器人在移動能力上具有靈活性和可變性的特點，故其可適應各種復雜地形及多種場景的探索工作，但是單純的復雜大型機器人無法適應復雜場景下的各項探索工作。而部分仿生機器人具有體積小，質(zhì)量輕的特點，在仿生機器人研巧熱潮下，尋找到一種適用于輔助人類生活并適用于各類地形的機器人，并且能夠擔當起相應野外研巧和探究任務，成為了關(guān)注點。

足式機器人能夠在復雜的地形上運行，其根本原因是仿生結(jié)構(gòu)的靈活性、自由性，四足機器人的構(gòu)造可按動物的骨骼構(gòu)造設(shè)計[3]。 自然界作為人類尋求靈感的智庫，一直以來為人類提供了大量的生物學啟示，受到在生物世界中所觀察到的足式動物運動優(yōu)勢的啟發(fā)，科學家和工程師正在將生物智能的原理應用于足式機器人的設(shè)計[4]。國內(nèi)外仿生機器人研究的兩個主要方向是運動機理和行為方式[5]。國內(nèi)對仿壁虎機器人技術(shù)的研究主要針對爬壁機器人展開，這方面影響比較大的主要有哈爾濱工業(yè)大學與北京航空航天大學，中國科學院沈陽自動化所機器人開放實驗室[6]與上海大學也有這方面的研究，南京航空航天大學也已經(jīng)展開了生物壁虎機器人技術(shù)研究并已取得初步成果[7]。但是目前，四足仿生機器人在狹窄空間等復雜地形的應用仍不多，且其機械設(shè)計復雜，缺少一些結(jié)構(gòu)較為簡單的仿生設(shè)計。因而，本文聚焦于一種結(jié)構(gòu)簡單，易操控，且能完成對壁虎爬行運動仿真的四足機器人；通過實驗測試，證明該基于仿生設(shè)計的四足類壁虎機器人機械部分及驅(qū)動部分的設(shè)計是合理可行的。

1 四足類壁虎機器人結(jié)構(gòu)

1.1 總體設(shè)計

1.1.1 仿生學及壁虎的生理結(jié)構(gòu)

研究壁虎的生理結(jié)構(gòu)及外形特點發(fā)現(xiàn)，從機械運動的角度看，骨骼組成了運動系統(tǒng)的構(gòu)件，是支撐其運動的基礎(chǔ)，骨骼間的關(guān)節(jié)是壁虎運動系統(tǒng)的運動副[8]。壁虎的脊椎骨骼及椎節(jié)間有相對轉(zhuǎn)動較小的特征，構(gòu)成其S 形的運動基礎(chǔ)。四肢的構(gòu)造對整體運動形態(tài)的影響較大，通過研究其運動特征發(fā)現(xiàn)，股骨相對身體的轉(zhuǎn)動為-80°～80°，脛骨相對股骨的轉(zhuǎn)動為60°～150°，如圖1 所示。因而，本文以壁虎體積小且運動靈活為出發(fā)點，對壁虎爬行時四肢的運動及各關(guān)節(jié)處配合進行數(shù)據(jù)分析，開展四足類壁虎機器人仿生設(shè)計。

圖1 壁虎的生理結(jié)構(gòu)

1.1.2 整體結(jié)構(gòu)及模塊

根據(jù)壁虎的以上運動特征，將兩塊不規(guī)則亞克力板及舵機組合作為壁虎的軀體；以板塊構(gòu)成的雙連桿結(jié)構(gòu)作為壁虎的運動機構(gòu)；以舵機、步進電機、傳感器、攝像頭作為其功能模塊。機械結(jié)構(gòu)規(guī)律性運動與舵機電機協(xié)調(diào)配合以實現(xiàn)各功能。近年來，無線網(wǎng)絡(luò)因高速數(shù)據(jù)傳輸特性和連接穩(wěn)定性的提高，在移動機器人領(lǐng)域也得到了應用[9-11]。

1.2 類壁虎機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.2.1 機械結(jié)構(gòu)

該機器人如圖2 所示，包含活動連接的上軀體和下軀體，上軀體和下軀體的左右兩側(cè)均配置有雙連桿腿組件，在上軀體和下軀體內(nèi)均設(shè)有2 個分別用于驅(qū)動兩側(cè)雙連桿腿組件的舵機，在每個雙連桿腿組件的末端均設(shè)有吸盤以及用于驅(qū)動吸盤上下運動的步進電機；在上軀體或下軀體上安裝有驅(qū)動器，所述驅(qū)動器與各個舵機和各個步進電機相連。

圖2 類壁虎機器人結(jié)構(gòu)

上軀體和下軀體均設(shè)有上墊板和下墊板，上墊板和下墊板之間通過若干銅柱和螺釘固定連接，舵機固定安裝在上墊板和下墊板之間；上軀體的上下墊板后端以及下軀體的上下墊板前端均設(shè)有鉸接座，通過銷軸將上軀體、下軀體轉(zhuǎn)動連接，銷軸配置有扭簧。

各雙連桿腿組件包含有腿板、第一連桿、第二連桿，在腿板安裝有步進電機，步進電機連接有絲桿，在絲桿上安裝有吸盤，由步進電機帶動絲桿及其吸盤上下運動；第一連桿和第二連桿的一端均與腿板轉(zhuǎn)動連接，第一連桿的另一端與舵機相連，第二連桿的另一端與上墊板或下墊板相連。舵機的輸出軸向下穿過下墊板并與第二連桿相連；在腿板上豎直安裝有墊柱，第二連桿的一端與墊柱頂端轉(zhuǎn)動連接，墊柱的上下兩端均設(shè)有推力球軸承。

上軀體前端活動連接有頭組件，且在下軀體后端活動連接有尾巴組件，尾巴組件由至少3 節(jié)首尾鏈接連接的短桿組成。上軀體前端活動連接有頭組件，且在下軀體后端活動連接有尾巴組件，尾巴組件由至少3 節(jié)首尾鏈接連接的短桿組成。上墊板或下墊板上設(shè)有用于限制頭組件、尾巴組件以及下軀體擺動幅度的限位機構(gòu)。

1.2.2 電控模塊設(shè)計及分析

電控部分整體由舵機、步進電機、溫度傳感器、蜂鳴器、CNC 電機擴展版等組成，以實現(xiàn)在工廠巡邏防火，報警等實際功能。類壁虎機器人每個腿部的電控系統(tǒng)由1個舵機和1個步進電機組成。腿部雙連桿機構(gòu)通過舵機帶動改變前后運動方向，步進電機控制腳掌上下運動，同時與搖桿結(jié)構(gòu)配合使其協(xié)調(diào)運行，以便更快速地完成1個運動周期。

根據(jù)以上分析進行如下設(shè)計：舵機的轉(zhuǎn)動角度通過占空比為5%的PWM（脈沖寬度調(diào)制）信號Timer 捕獲，較寄存器為190；再使用CNC 電機擴展板配合A4988 驅(qū)動步進電機驅(qū)動壁虎機器人運動。A4988 驅(qū)動步進電機是一款帶轉(zhuǎn)換器和過流保護的DMOS 微步驅(qū)動器，該產(chǎn)品輸出驅(qū)動性能可達（35±2）V，通過DIR腳控制方向。

2 四足類壁虎機器人運動學分析

2.1 運動學分析計算

2.1.1 步態(tài)分析

傳統(tǒng)四足機器人大多采用剛性軀干，而自然界的四足動物普遍具有可自主運動的軀干，其在奔跑、跳躍、轉(zhuǎn)彎、攀爬等一系列行為中都伴隨著軀干的運動。動物的軀干運動形式主要包含扭動運動、拱仰運動和扭拱混合運動[12]。通過分析壁虎身體結(jié)構(gòu)與運動規(guī)律[13]和觀察壁虎爬行方式的基礎(chǔ)上，設(shè)計出針對仿壁虎機器人的爬行步態(tài)。通過分析生物界壁虎的運動，設(shè)計出S 形的運動模型。圖3 所示為四足類壁虎機器人一個周期的基本步態(tài)示意。

圖3 基本步態(tài)示意

2.1.2 運動學計算

運動步態(tài)是足式機器人的走步形式，是足式機器人各條腿協(xié)調(diào)運動的一種規(guī)律，也就是每條腿的抬、放腿順序，它是分析足式運動構(gòu)件的重要參數(shù)[14]。對角線2只腳由步進電機驅(qū)動抬起24 mm；3個由墊柱和推力球軸承連接的碳板組成雙搖桿結(jié)構(gòu)，在舵機帶動下兩腿同時向前移動（通過計算得兩條腿足以支撐整個身體）。身體前后兩部分在產(chǎn)生角度（分析壁虎真實步態(tài)約為110°），因此設(shè)計中將腰部非固定連接，同時安裝扭簧，以達到此目的。

經(jīng)測量得: 腿部單次移動水平位移d=25 mm；腿部一次移動時間t=0.2 s；1 個抬腿（腿部上下移動）周期為T=5 s；預估前進速度V=d/(t+T/2)=0.93 cm/s。

2.2 靜力學分析及輸入端設(shè)計

為保證四足類壁虎機器人能在地面平穩(wěn)爬行且實現(xiàn)其步態(tài)的仿真，需要在設(shè)計計算時，采取碳纖維板材質(zhì)作為腿部主要材質(zhì)，通過雙連桿機構(gòu)及電控部分的配合順序，進行計算扭力、扭矩、轉(zhuǎn)速等，針對其要求及計算結(jié)果對電控部分選型。整體控制及造型由舵機、步進電機和碳纖維板組成，舵機使用MG996R 舵機，扭矩為9 kg/cm（4.8 V）、11 kg/cm（6 V），力臂為61 mm，輸出為14.459 N（4.8 V）、17.672 N（6 V），速度為0.19 s/60°（4.8 V）、0.18 s/60°（6 V），工作電壓為4.8～6 V。步進電機采用K25步進電機，最大推力為20 N，最大行程為24 mm，一個運動周期為2.5 s。外殼和基本組織采用T300碳纖維板，拉伸模量為230 GPa，抗拉壓強度為3 500 MPa。

3 仿真分析

3.1 計算機輔助分析

在進行四足類壁虎仿生機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計時利用了三維設(shè)計軟件（SolidWorks），在研究新的機械結(jié)構(gòu)時，可借助其進行概念化設(shè)計，基于機械設(shè)計原理和實際經(jīng)驗，通過這些軟件建立三維虛擬模型并進行相應的仿真分析，可以使制造產(chǎn)品所用的費用大大降低，提高產(chǎn)品的性能，縮短開發(fā)時間[15]。圖4 所示為輔助設(shè)計流程。

圖4 輔助設(shè)計流程

3.2 建立簡化的三維模型

首先利用SolidWorks 軟件對四足類壁虎機器人的整體進行三維模型設(shè)計，在仿真分析之前確定需要得到的數(shù)據(jù)，包括步態(tài)運動仿真捕捉圖、關(guān)節(jié)之間的角度、1個周期內(nèi)的三維運動。受計算性能影響，在仿真分析時將對運動形態(tài)和控制影響不大的結(jié)構(gòu)進行。簡化后三維模型如圖5 所示。通過分析計算測得在步進電機2.5 s 的運動周期以及舵機6 V 電壓下，機器人的腿部單次水平位移為25 mm， 1 個抬腿（腿部上下移）的周期為5 s。整體以交叉步態(tài)為前進方式，前進速度約為0.93 cm/s。

圖5 簡化三維模型

4 結(jié)束語

本文設(shè)計的四足類壁虎機器人以較為簡單的機械結(jié)構(gòu)和電控系統(tǒng)模擬了自然界中壁虎的運動形態(tài)，達到了對壁虎的仿生目的。設(shè)計從壁虎步態(tài)分析入手，確立了基于連桿的機械結(jié)構(gòu)形式，通過模塊化設(shè)計思想和仿生學原理仿真計算。其中，由板塊、連桿機構(gòu)結(jié)合而成的機械骨架和電控部分協(xié)調(diào)一致，實現(xiàn)了對角步態(tài)和S 形運動仿真。本設(shè)計主要特點包括以下3點。

（1）腿部結(jié)構(gòu)。以簡單的連桿結(jié)構(gòu)相互配合及其關(guān)節(jié)連接處的推力球軸承，實現(xiàn)對壁虎爬行步態(tài)的仿真，同時構(gòu)成腿部的結(jié)構(gòu)。該機器人以彎曲的碳板為骨骼，更形似壁虎又比直板更堅固。

（2）多種限位方式。腰部的扭簧、尾部的物理限位以及腿部的連桿結(jié)構(gòu)，使其運動靈活，更貼近于壁虎真正的爬行狀態(tài)。限位的多處使用保證了在運動過程中，機器人各部分不會對整體運動造成影響。

（3）功能方面。對壁虎的形態(tài)步態(tài)進行分析和規(guī)劃，使其最大程度地實現(xiàn)仿生的特點。在眼睛位置開孔，安置攝像頭，以實現(xiàn)監(jiān)測功能。

本文設(shè)計成品體積小，擬態(tài)隱匿性好，可用于工廠和野外等，應用場合廣泛；用材少，成本低，制造和使用成本低。