基于ROBOTAC的仿生機(jī)器人設(shè)計(jì)及性能改進(jìn)

文/梁璐 潘麗 占蔚

1 研究初衷

ROBOTAC是ROBOT(機(jī) 器人)+TACTIC(策 略、 戰(zhàn) 略)的 縮 寫(xiě)。ROBOTAC是共青團(tuán)中央和全國(guó)學(xué)聯(lián)主辦的"全國(guó)大學(xué)生機(jī)器人大賽"的賽事項(xiàng)目之一。全國(guó)大學(xué)生機(jī)器人大賽自2002年首次舉辦以來(lái)，目前已發(fā)展成為國(guó)內(nèi)技術(shù)綜合性最強(qiáng)、影響力最大的大學(xué)生機(jī)器人賽事，ROBOTAC賽事將科技與娛樂(lè)相融合，成為激發(fā)青年大學(xué)生科技興趣愛(ài)好，展現(xiàn)大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力和風(fēng)采的重要平臺(tái)。

比賽使用機(jī)器人來(lái)代替了游戲中的虛擬人物，其中的機(jī)器人，包括幾個(gè)限定重量和尺寸的幾個(gè)小車(chē)或仿生機(jī)器人，通過(guò)學(xué)生設(shè)計(jì)制造的機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)“技能”。通過(guò)各種“技能”去攻擊對(duì)方的機(jī)器人“血槽”，從而實(shí)現(xiàn)擊殺。以攻占對(duì)方堡壘或“消滅”對(duì)方機(jī)器人的得分多的一方取勝。通過(guò)了解學(xué)習(xí)和分析動(dòng)物的行走原理進(jìn)而設(shè)計(jì)出具有仿真效果的機(jī)械裝置，即仿生機(jī)器人，而ROBOTAC賽事的仿生機(jī)器人不帶血槽，因此除非損壞，生命不會(huì)終止。由于比賽規(guī)則的側(cè)重，在賽事中仿生機(jī)器人的研究具有戰(zhàn)略性的意義，因此設(shè)計(jì)出符合規(guī)則，能夠參賽，運(yùn)行良好，控制方便的仿生機(jī)器人對(duì)參加ROBOTAC賽事尤為重要。

2 研究思路

對(duì)于仿生機(jī)器人來(lái)說(shuō)身上最重要的部位，就是它們的“仿生腿”（行走機(jī)構(gòu)）。在對(duì)動(dòng)物的行走姿態(tài)觀(guān)察與電腦測(cè)算之后，決定其腿部利用各種輕便材料，可以以最高效的姿態(tài)模仿動(dòng)物的腿部進(jìn)行行走。設(shè)計(jì)通過(guò)采集動(dòng)物在行走時(shí)的一些數(shù)據(jù)，然后將它們抽象成幾何原理圖，按一定的尺寸將其連接起來(lái)從而實(shí)現(xiàn)模仿動(dòng)物行走的目的。此仿生機(jī)器人利用了塑料薄膜、PVC 細(xì)管、木頭、膠條等輕便的材料，通過(guò)框架結(jié)構(gòu)組合到一起。原理圖如圖1所示。

圖1：組裝結(jié)構(gòu)圖

圖2：行走單元圖

圖3：各部分之間的連接關(guān)系

圖4：行走機(jī)構(gòu)配件

圖5：組裝實(shí)物圖

當(dāng)在一個(gè)曲軸上，把至少6個(gè)這樣的“仿生腿”，依照前后順序組合起來(lái)，就形成了一個(gè)行走單元。如圖2所示。而這樣的“仿生腿”，也被證實(shí)在沙灘或松軟地面上的行走速度超越了常規(guī)輪式機(jī)器人，它們無(wú)需像輪胎那樣直接接觸每一寸的土地，減少了阻力。同時(shí)由于骨架很輕，仿生機(jī)器人又不會(huì)陷入砂中，并且很容易被小型馬達(dá)所驅(qū)動(dòng)。在該設(shè)計(jì)中用一個(gè)接受器安裝車(chē)體上，用以接受發(fā)射機(jī)控制信號(hào)。利用4個(gè)小馬達(dá)及減速箱作為驅(qū)動(dòng)裝置，利用鋰電池為仿生機(jī)器人提供行走動(dòng)力。各部分之間的連接關(guān)系如圖3所示。

3 仿生機(jī)器人組裝

仿生機(jī)構(gòu)組裝過(guò)程具體如下：首先將所有配件分類(lèi)整理在一起，其中主要包含機(jī)械手臂12組、機(jī)械腳臂12組、大小三腳架12組、曲軸2組和支撐架8組。實(shí)物圖如圖4所示。

首先將支架及曲軸連接，將12組機(jī)械手臂和十二組機(jī)械腳臂全部連接完成，然后與曲軸進(jìn)行嵌套；然后機(jī)械腿與曲軸的連接，將已完成的手臂和機(jī)械腳與完成組裝的曲軸結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成仿生機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)。

最后將行走腿與傳動(dòng)裝置的連接，在兩個(gè)行走腿之間搭建支撐板，將直流減速小馬達(dá)安裝固定在支撐板之上，然后在仿生機(jī)器人兩側(cè)的行走腿上加裝齒輪，使得馬達(dá)的軸與齒輪相連接，通電后通過(guò)馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)齒輪做順時(shí)針或逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)仿生機(jī)器人的前進(jìn)或后退。組裝實(shí)物圖如圖5所示。

4 調(diào)試測(cè)試及性能改進(jìn)

4.1 遙控器與接收機(jī)的信號(hào)傳輸距離

在控制仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)遙控器的傳輸距離十分有限，僅為100cm左右，尤其在將天線(xiàn)釋放到最大距離后遙控距離還是沒(méi)有太大明顯得改善。經(jīng)過(guò)不斷的測(cè)試與研究，發(fā)現(xiàn)遙控距離的遠(yuǎn)近與遙控器發(fā)射的信號(hào)頻率有很大關(guān)系，而頻率又直接受控于中周，所以在對(duì)中周進(jìn)行合理的調(diào)節(jié)后使得遙控距離增加到600cm左右，從而解決了遙控距離不足的問(wèn)題。

4.2 行走腿速率與馬達(dá)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)

在仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)機(jī)械腿運(yùn)動(dòng)的周期明顯慢于馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)的周期，從而導(dǎo)致馬達(dá)空轉(zhuǎn)或機(jī)械腿未運(yùn)動(dòng)完一個(gè)周期就被強(qiáng)行拉回的現(xiàn)象。在反復(fù)試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)問(wèn)題出現(xiàn)在齒輪的大小上，當(dāng)齒輪直徑>=4cm時(shí)就會(huì)出現(xiàn)機(jī)械腿不能走完一個(gè)周期；當(dāng)齒輪直徑等于2cm時(shí)，發(fā)現(xiàn)齒輪和馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)的軸距剛好能夠吻合，從而機(jī)械腿正好能夠完成一個(gè)機(jī)械周期的運(yùn)動(dòng)，解決了腿的運(yùn)動(dòng)和馬達(dá)傳動(dòng)不協(xié)調(diào)的問(wèn)題。

4.3 電池的使用及充電

11.1V的鋰電池由3片鋰電芯串聯(lián)而成(3S1P)，即每片電芯的電壓為3.7V。

鋰電池必須保持在2.75～4.2V這個(gè)電壓范圍內(nèi)使用。如電池電壓低于2.75V則屬于過(guò)度放電，鋰電會(huì)膨脹，內(nèi)部的化學(xué)液體會(huì)結(jié)晶。

遙控航模鋰電池電壓高于4.2V屬于過(guò)度充電，內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)過(guò)于激烈，鋰電會(huì)鼓氣膨脹，若繼續(xù)充電會(huì)膨脹、燃燒。無(wú)論是過(guò)放還是過(guò)充均會(huì)對(duì)遙控航模鋰電池產(chǎn)生很大的傷害。

過(guò)放電會(huì)導(dǎo)致電池?fù)p壞，放電時(shí)不得使單體電池的電壓低于3.6V。

通過(guò)努力，終于完成了對(duì)機(jī)器人的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)新一代的仿生機(jī)器人，質(zhì)量更輕、行走速度更快、方向轉(zhuǎn)變更加靈活，并且符合ROBOTAC賽事要求，良好運(yùn)行，方便控制，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)初衷。