基于仿生設(shè)計(jì)的四足類壁虎機(jī)器人*

帖軒正，李秋宇，嚴(yán) 潔，楊 瀟，周 鵬，駱 佼※

（1.上海工程技術(shù)大學(xué)藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，上海 201600；2.上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，上海 201620）

0 引言

隨著時(shí)代和技術(shù)的進(jìn)步，四足機(jī)器人的實(shí)用價(jià)值逐漸凸顯。與輪式、蠕動(dòng)式等機(jī)器人相比，四足機(jī)器人具有機(jī)體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、運(yùn)動(dòng)靈活、受地形限制少等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、預(yù)警偵察、補(bǔ)給運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[1]。四足機(jī)器人因獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)控制方式，成為研究熱點(diǎn)之一。但大多四足機(jī)器人仍需電控與復(fù)雜結(jié)構(gòu)之間的配合才得以完成仿真的效果。仿生機(jī)器人就是模仿自然界中生物的精巧結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)原理和行為方式等的機(jī)器人系統(tǒng)?？茖W(xué)家們向生物學(xué)習(xí)，創(chuàng)造出了眾多高性能的仿生機(jī)器人，如機(jī)器魚、機(jī)器蛇、機(jī)器蠅，以及各種仿生材料[2]。仿真機(jī)器人在移動(dòng)能力上具有靈活性和可變性的特點(diǎn)，故其可適應(yīng)各種復(fù)雜地形及多種場(chǎng)景的探索工作，但是單純的復(fù)雜大型機(jī)器人無法適應(yīng)復(fù)雜場(chǎng)景下的各項(xiàng)探索工作。而部分仿生機(jī)器人具有體積小，質(zhì)量輕的特點(diǎn)，在仿生機(jī)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(jī)器人，并且能夠擔(dān)當(dāng)起相應(yīng)野外研巧和探究任務(wù)，成為了關(guān)注點(diǎn)。

足式機(jī)器人能夠在復(fù)雜的地形上運(yùn)行，其根本原因是仿生結(jié)構(gòu)的靈活性、自由性，四足機(jī)器人的構(gòu)造可按動(dòng)物的骨骼構(gòu)造設(shè)計(jì)[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(xué)啟示，受到在生物世界中所觀察到的足式動(dòng)物運(yùn)動(dòng)優(yōu)勢(shì)的啟發(fā)，科學(xué)家和工程師正在將生物智能的原理應(yīng)用于足式機(jī)器人的設(shè)計(jì)[4]。國內(nèi)外仿生機(jī)器人研究的兩個(gè)主要方向是運(yùn)動(dòng)機(jī)理和行為方式[5]。國內(nèi)對(duì)仿壁虎機(jī)器人技術(shù)的研究主要針對(duì)爬壁機(jī)器人展開，這方面影響比較大的主要有哈爾濱工業(yè)大學(xué)與北京航空航天大學(xué)，中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化所機(jī)器人開放實(shí)驗(yàn)室[6]與上海大學(xué)也有這方面的研究，南京航空航天大學(xué)也已經(jīng)展開了生物壁虎機(jī)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(jī)器人在狹窄空間等復(fù)雜地形的應(yīng)用仍不多，且其機(jī)械設(shè)計(jì)復(fù)雜，缺少一些結(jié)構(gòu)較為簡單的仿生設(shè)計(jì)。因而，本文聚焦于一種結(jié)構(gòu)簡單，易操控，且能完成對(duì)壁虎爬行運(yùn)動(dòng)仿真的四足機(jī)器人；通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，證明該基于仿生設(shè)計(jì)的四足類壁虎機(jī)器人機(jī)械部分及驅(qū)動(dòng)部分的設(shè)計(jì)是合理可行的。

1 四足類壁虎機(jī)器人結(jié)構(gòu)

1.1 總體設(shè)計(jì)

1.1.1 仿生學(xué)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(diǎn)發(fā)現(xiàn)，從機(jī)械運(yùn)動(dòng)的角度看，骨骼組成了運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)件，是支撐其運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)，骨骼間的關(guān)節(jié)是壁虎運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)副[8]。壁虎的脊椎骨骼及椎節(jié)間有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)較小的特征，構(gòu)成其S 形的運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)。四肢的構(gòu)造對(duì)整體運(yùn)動(dòng)形態(tài)的影響較大，通過研究其運(yùn)動(dòng)特征發(fā)現(xiàn)，股骨相對(duì)身體的轉(zhuǎn)動(dòng)為-80°～80°，脛骨相對(duì)股骨的轉(zhuǎn)動(dòng)為60°～150°，如圖1 所示。因而，本文以壁虎體積小且運(yùn)動(dòng)靈活為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)壁虎爬行時(shí)四肢的運(yùn)動(dòng)及各關(guān)節(jié)處配合進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，開展四足類壁虎機(jī)器人仿生設(shè)計(jì)。

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(yùn)動(dòng)特征，將兩塊不規(guī)則亞克力板及舵機(jī)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(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)；以舵機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、傳感器、攝像頭作為其功能模塊。機(jī)械結(jié)構(gòu)規(guī)律性運(yùn)動(dòng)與舵機(jī)電機(jī)協(xié)調(diào)配合以實(shí)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(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域也得到了應(yīng)用[9-11]。

1.2 類壁虎機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

該機(jī)器人如圖2 所示，包含活動(dòng)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(gè)分別用于驅(qū)動(dòng)兩側(cè)雙連桿腿組件的舵機(jī)，在每個(gè)雙連桿腿組件的末端均設(shè)有吸盤以及用于驅(qū)動(dòng)吸盤上下運(yùn)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)；在上軀體或下軀體上安裝有驅(qū)動(dòng)器，所述驅(qū)動(dòng)器與各個(gè)舵機(jī)和各個(gè)步進(jìn)電機(jī)相連。

圖2 類壁虎機(jī)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(jī)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(dòng)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(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)連接有絲桿，在絲桿上安裝有吸盤，由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲桿及其吸盤上下運(yùn)動(dòng)；第一連桿和第二連桿的一端均與腿板轉(zhuǎn)動(dòng)連接，第一連桿的另一端與舵機(jī)相連，第二連桿的另一端與上墊板或下墊板相連。舵機(jī)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(dòng)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(dòng)連接有頭組件，且在下軀體后端活動(dòng)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(dòng)連接有頭組件，且在下軀體后端活動(dòng)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(dòng)幅度的限位機(jī)構(gòu)。

1.2.2 電控模塊設(shè)計(jì)及分析

電控部分整體由舵機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、溫度傳感器、蜂鳴器、CNC 電機(jī)擴(kuò)展版等組成，以實(shí)現(xiàn)在工廠巡邏防火，報(bào)警等實(shí)際功能。類壁虎機(jī)器人每個(gè)腿部的電控系統(tǒng)由1個(gè)舵機(jī)和1個(gè)步進(jìn)電機(jī)組成。腿部雙連桿機(jī)構(gòu)通過舵機(jī)帶動(dòng)改變前后運(yùn)動(dòng)方向，步進(jìn)電機(jī)控制腳掌上下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)與搖桿結(jié)構(gòu)配合使其協(xié)調(diào)運(yùn)行，以便更快速地完成1個(gè)運(yùn)動(dòng)周期。

根據(jù)以上分析進(jìn)行如下設(shè)計(jì)：舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度通過占空比為5%的PWM（脈沖寬度調(diào)制）信號(hào)Timer 捕獲，較寄存器為190；再使用CNC 電機(jī)擴(kuò)展板配合A4988 驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)壁虎機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。A4988 驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)是一款帶轉(zhuǎn)換器和過流保護(hù)的DMOS 微步驅(qū)動(dòng)器，該產(chǎn)品輸出驅(qū)動(dòng)性能可達(dá)（35±2）V，通過DIR腳控制方向。

2 四足類壁虎機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

2.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析計(jì)算

2.1.1 步態(tài)分析

傳統(tǒng)四足機(jī)器人大多采用剛性軀干，而自然界的四足動(dòng)物普遍具有可自主運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)。動(dòng)物的軀干運(yùn)動(dòng)形式主要包含扭動(dòng)運(yùn)動(dòng)、拱仰運(yùn)動(dòng)和扭拱混合運(yùn)動(dòng)[12]。通過分析壁虎身體結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)規(guī)律[13]和觀察壁虎爬行方式的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出針對(duì)仿壁虎機(jī)器人的爬行步態(tài)。通過分析生物界壁虎的運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)出S 形的運(yùn)動(dòng)模型。圖3 所示為四足類壁虎機(jī)器人一個(gè)周期的基本步態(tài)示意。

圖3 基本步態(tài)示意

2.1.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算

運(yùn)動(dòng)步態(tài)是足式機(jī)器人的走步形式，是足式機(jī)器人各條腿協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)構(gòu)件的重要參數(shù)[14]。對(duì)角線2只腳由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)抬起24 mm；3個(gè)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(jī)帶動(dòng)下兩腿同時(shí)向前移動(dòng)（通過計(jì)算得兩條腿足以支撐整個(gè)身體）。身體前后兩部分在產(chǎn)生角度（分析壁虎真實(shí)步態(tài)約為110°），因此設(shè)計(jì)中將腰部非固定連接，同時(shí)安裝扭簧，以達(dá)到此目的。

經(jīng)測(cè)量得: 腿部單次移動(dòng)水平位移d=25 mm；腿部一次移動(dòng)時(shí)間t=0.2 s；1 個(gè)抬腿（腿部上下移動(dòng)）周期為T=5 s；預(yù)估前進(jìn)速度V=d/(t+T/2)=0.93 cm/s。

2.2 靜力學(xué)分析及輸入端設(shè)計(jì)

為保證四足類壁虎機(jī)器人能在地面平穩(wěn)爬行且實(shí)現(xiàn)其步態(tài)的仿真，需要在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，采取碳纖維板材質(zhì)作為腿部主要材質(zhì)，通過雙連桿機(jī)構(gòu)及電控部分的配合順序，進(jìn)行計(jì)算扭力、扭矩、轉(zhuǎn)速等，針對(duì)其要求及計(jì)算結(jié)果對(duì)電控部分選型。整體控制及造型由舵機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和碳纖維板組成，舵機(jī)使用MG996R 舵機(jī)，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(jìn)電機(jī)采用K25步進(jìn)電機(jī)，最大推力為20 N，最大行程為24 mm，一個(gè)運(yùn)動(dòng)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(qiáng)度為3 500 MPa。

3 仿真分析

3.1 計(jì)算機(jī)輔助分析

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

圖4 輔助設(shè)計(jì)流程

3.2 建立簡化的三維模型

首先利用SolidWorks 軟件對(duì)四足類壁虎機(jī)器人的整體進(jìn)行三維模型設(shè)計(jì)，在仿真分析之前確定需要得到的數(shù)據(jù)，包括步態(tài)運(yùn)動(dòng)仿真捕捉圖、關(guān)節(jié)之間的角度、1個(gè)周期內(nèi)的三維運(yùn)動(dòng)。受計(jì)算性能影響，在仿真分析時(shí)將對(duì)運(yùn)動(dòng)形態(tài)和控制影響不大的結(jié)構(gòu)進(jìn)行。簡化后三維模型如圖5 所示。通過分析計(jì)算測(cè)得在步進(jìn)電機(jī)2.5 s 的運(yùn)動(dòng)周期以及舵機(jī)6 V 電壓下，機(jī)器人的腿部單次水平位移為25 mm， 1 個(gè)抬腿（腿部上下移）的周期為5 s。整體以交叉步態(tài)為前進(jìn)方式，前進(jìn)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(jì)的四足類壁虎機(jī)器人以較為簡單的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電控系統(tǒng)模擬了自然界中壁虎的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，達(dá)到了對(duì)壁虎的仿生目的。設(shè)計(jì)從壁虎步態(tài)分析入手，確立了基于連桿的機(jī)械結(jié)構(gòu)形式，通過模塊化設(shè)計(jì)思想和仿生學(xué)原理仿真計(jì)算。其中，由板塊、連桿機(jī)構(gòu)結(jié)合而成的機(jī)械骨架和電控部分協(xié)調(diào)一致，實(shí)現(xiàn)了對(duì)角步態(tài)和S 形運(yùn)動(dòng)仿真。本設(shè)計(jì)主要特點(diǎn)包括以下3點(diǎn)。

（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(shí)現(xiàn)對(duì)壁虎爬行步態(tài)的仿真，同時(shí)構(gòu)成腿部的結(jié)構(gòu)。該機(jī)器人以彎曲的碳板為骨骼，更形似壁虎又比直板更堅(jiān)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)過程中，機(jī)器人各部分不會(huì)對(duì)整體運(yùn)動(dòng)造成影響。

（3）功能方面。對(duì)壁虎的形態(tài)步態(tài)進(jìn)行分析和規(guī)劃，使其最大程度地實(shí)現(xiàn)仿生的特點(diǎn)。在眼睛位置開孔，安置攝像頭，以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)功能。

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