機(jī)械仿生螳螂的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙宇闊， 李卓凱， 司向風(fēng)， 路政達(dá)， 常錦辰

（大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 大連 116081）

0 引言

機(jī)械仿生是通過機(jī)械結(jié)構(gòu)模擬生物形態(tài)與控制原理， 并對某些生物特征進(jìn)行機(jī)械強(qiáng)化的制造工業(yè)中的熱點(diǎn)問題，是“智能制造產(chǎn)業(yè)升級”的基本方法，從而被許多學(xué)者與研究機(jī)構(gòu)所關(guān)注。 例如： 在本世紀(jì)之初， 美國NASA 下屬的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室模仿六足螃蟹與八足蜘蛛的腿部結(jié)構(gòu)而研發(fā)制作了一種可在空間站外部智能行走的仿生機(jī)器人Lemur 和Spidernaut[1-2]，德國布萊梅大學(xué)研發(fā)制作了多足仿生機(jī)器人SCORPION 和ARAMIES[3]，上海交通大學(xué)馬培蓀研發(fā)制作了三足步行機(jī)器人MDTWR[4]，哈爾濱理工大學(xué)機(jī)械動(dòng)力工程學(xué)院研發(fā)制作了兩棲仿生機(jī)械蟹[5]，美國康奈爾大學(xué)模仿海星形態(tài)研發(fā)了一種“自我傷勢處理”的智能機(jī)器人[6]，日本千葉大學(xué)模仿八足硬殼節(jié)肢動(dòng)物形態(tài)研制了一種用于搜救任務(wù)的機(jī)器人Halluc II[7]，美國波士頓動(dòng)力學(xué)公司采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)研發(fā)制作了Big Dog 與Little Dog 等四足仿生機(jī)器人[8-9]。 同時(shí)，在2010年之后，國內(nèi)的張成軍、崔冰燕、高建設(shè)和金振林等人對仿生機(jī)械腿的靜力學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)分析、剛度分析、軌跡規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)控制等方面的研發(fā)制作開展了相關(guān)研究，并促進(jìn)了國內(nèi)的仿生機(jī)械的相關(guān)發(fā)展，如文獻(xiàn)[10-14]所示。

螳螂的身體形態(tài)是一種修長的流線型結(jié)構(gòu)， 其標(biāo)志性特征是具有一對強(qiáng)勁的前足。 在爬行時(shí)，它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)具有三足支撐單足折疊前伸的特點(diǎn)。 因此，螳螂的運(yùn)動(dòng)與形態(tài)特點(diǎn)在機(jī)械仿生領(lǐng)域具有較高的研究意義， 所以我們對此進(jìn)行了仿生設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，即：

我們將機(jī)械仿生螳螂的設(shè)計(jì)劃分為了前身、前足、軀干和中后足四部分。 其中，中后足與軀干主體連接處的傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)采用的是切比雪夫連桿機(jī)構(gòu)的改進(jìn)形式， 并通過它模仿螳螂足部末端運(yùn)動(dòng)軌跡。在傳動(dòng)方面，我們采用的是正齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)。 在芯片選用方面， 我們采用的是STM32F103C8T6 單片機(jī)。在無線控制信號的傳輸方面，我們采用的是PS2 無線手柄模塊。在腿部控制方面，我們采用的是WDD35D4 角度傳感器。 在身體抬升動(dòng)作的仿生方面，我們采用的是絲杠傳動(dòng)裝置來進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。根據(jù)樣機(jī)的制作實(shí)驗(yàn)， 表明我們的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)具有較好的穩(wěn)定性與機(jī)械仿生的新穎性。

1 基本原理

一般來說，螳螂的身體多為綠色，胸前有一對呈鐮刀狀的捕捉足，可以向腿節(jié)折疊，有利刺，且多用來捕捉食物，或輔助爬行。

另外，成熟體的螳螂頭部多為三角形，比較靈活。 復(fù)眼比較大，分布在頭的兩側(cè)。 前翅革質(zhì)，為覆翅，缺前緣域。 后翅膜質(zhì)，臂域發(fā)達(dá)，扇狀，休息時(shí)疊于背上，見圖1。

圖1 螳螂的爬行形態(tài)

1.1 控制系統(tǒng)

在樣機(jī)的硬件電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，我們選擇STM32F10 3C8T6 單片機(jī)作為主控制器， 并通過它控制5 個(gè)SPT5535LV-360 舵機(jī)、6 個(gè)RDS3235 舵機(jī)、2 個(gè)DS3230 舵機(jī)和4 個(gè)WDD35D4 角度傳感器，見圖2。

圖2 電路圖

其中，STM32F103C8T6 單片機(jī)的PA0～PA3 端口與PS2 無線手柄接收模塊連接， 串口通信功能端口PA9 和PA10 與舵機(jī)控制板連接，ADC 功能端口PA5、PA6、PA7和PB0 與4 個(gè)WDD35D4 角度傳感器連接。

這樣，通過STM32F103C8T6 單片機(jī)讀取無線手柄的實(shí)時(shí)控制信息與4 個(gè)角度傳感器反饋的足部角度信息，從而控制舵機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，且舵機(jī)的閉環(huán)控制算法（單周期）見圖3。

圖3 舵機(jī)的控制算法

1.2 足部機(jī)構(gòu)

1.2.1 設(shè)計(jì)原理螳螂是節(jié)肢動(dòng)物門中的螳螂目昆蟲， 腿部結(jié)構(gòu)具有三個(gè)關(guān)節(jié)，且在爬行的過程中，六足之間需要相互協(xié)調(diào)折疊前伸才能保持前進(jìn)狀態(tài)。 對于它的足部仿生，我們的設(shè)計(jì)模型與基本原理見圖4。

圖4 足部的設(shè)計(jì)原理

其中， 螳螂足部末端兩節(jié)的平面運(yùn)動(dòng)由一種五連桿機(jī)構(gòu)模擬。 該五連桿機(jī)構(gòu)不僅可以模擬螳螂足部在腿部在投影平面的運(yùn)動(dòng)軌跡，還可以通過連接其他機(jī)構(gòu)， 實(shí)現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)過程中對于末端的抬起運(yùn)動(dòng)。 同時(shí)，通過相關(guān)參數(shù)的調(diào)整，可以使五連桿機(jī)構(gòu)整體形態(tài)修長，與螳螂足部整體形態(tài)更加相似。 五連桿機(jī)構(gòu)、主軸和類切比雪夫連桿D 型機(jī)構(gòu)之間的連接采用三角桿。 類切比雪夫連桿D 型機(jī)構(gòu)是以切比雪夫連桿機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)進(jìn)行改進(jìn)， 從而使其輸出軌跡近似為圓弧加直線的平面曲線。最終類切比雪夫連桿D型機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)基節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)以及配合曲柄滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)足部在前進(jìn)過程中的抬升。

其次，根據(jù)受力特性以及加工方式難易程度，我們選擇了一種碳纖維材料制成的加固片。 根據(jù)其較強(qiáng)的抗拉強(qiáng)度以及較高的比模量， 可以較為方便的顯著提升關(guān)鍵零件的力學(xué)性能。為了使載荷分布均勻并使運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定，我們通過使用滑塊導(dǎo)軌進(jìn)行過約束設(shè)計(jì)， 最終使得類切比雪夫連桿D 型機(jī)構(gòu)的角度輸出穩(wěn)定有效。 同時(shí)在平面板之間，我們還加裝了平面推力軸承與銅柱等零件，使得結(jié)構(gòu)性能得以提高。具體的設(shè)計(jì)方案見圖5。

圖5 根部的加固設(shè)計(jì)

1.2.2 足部軌跡方程 （算法）

1.3 前身機(jī)構(gòu)

在示威抓取時(shí)，螳螂的前身會(huì)抬起，且前足離地張開，而在前進(jìn)時(shí)，前身則需要下降，前足配合中后足協(xié)同前進(jìn)。因此，機(jī)械仿生螳螂需要設(shè)計(jì)前身的抬升下降機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)該功能。 在相關(guān)設(shè)計(jì)方面，我們采用了絲杠螺母傳動(dòng)配合曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的方案，見圖6。

圖6 前身機(jī)構(gòu)

其中， 抬升機(jī)構(gòu)主要承重件為移動(dòng)副， 抬升范圍為30^°。 絲杠螺母與滑塊連接件的總體寬度小于20mm，該連接件采用銑削加工方式。

2 結(jié)論

機(jī)械仿生螳螂是以節(jié)肢動(dòng)物門中的螳螂目昆蟲為仿生原型。在我們的設(shè)計(jì)中，采用D 型機(jī)構(gòu)與末端的五連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)足部的運(yùn)動(dòng)形態(tài)， 采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)前身的抬升運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)， 我們的設(shè)計(jì)方案具有較好的形態(tài)模擬和動(dòng)力輸出特性。 因此，在機(jī)械仿生的教學(xué)演示等場景中，我們的設(shè)計(jì)具有較好的研發(fā)意義。