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【S110】偏心摇杆式仿生八足机器人
作品说明 |
作者：宋亚斌 汪洋 孙文洋
单位：杭州师范大学钱江学院
指导老师：孙红梅 马宝丽
1. 研究背景
1.1 国内研究现状
哈尔滨工程大学两栖仿生机器蟹，从2000年起哈尔滨工程大学开始了两栖仿生机器蟹的研究，此后又以国家自然科学基金等多个项目为依托，对两栖多足仿生机器人进行了深入的研究，经过10多年的努力，目前已开发出了多台原理样机，最具代表性的应属第五代两栖仿生机器蟹。其采用了模块化设计思想，整体呈平行式结构，机器人身长为500mm，横向宽度为660mm，站立高度为400mm，总重为15kg，机器人的行走速度可达0.12m/s，可攀爬巧15°斜坡。机器人24个传动关节统一采用蜗轮蜗杆传动，由直流伺服电机驱动，每个步行足三个关节采用串联的组合方式，各关节的长度比例是严格按照仿生学原理设计的，机器人的控制系统采用了分级控制结构，上层通讯系统，中层主控系统和底层驱动系统。机器人上配置了GPS接收器和电子罗盘，可以实现机器人的自主导航和定位在必要的情况下，为机器人安装两只具备作业能力的机械手，可完成一些简单的作业机器人整体进行了软质橡胶密封处理，具有两栖环境下的运动能力。
1.2 国外研究现状
① 仿生蝎子“Scorpion”是由德国不来梅大学研制的太空探测八足机器人，此款机器人以蝎子为生物原型，机器人总长650mm，宽400mm，高300mm，总重1.5kg，行进速度为300mm/s。机器人总体采用模块化的设计思想，各关节采用统一的结构，均由24v直流伺服电机驱动。各步行足末端装有弹性减振装置，可减少一定的机械冲击。该款机器人采用仿生控制概念，全身共有24个绝对角度传感器，24个电流传感器，8个足端力传感器,，身体倾角检测陀螺，红外距离传感器以及无线CCD摄影机。强大的控制和检测反馈系统使得机器人能自主适应各种未知复杂行走环境，能够轻易的完成下坡、攀岩等作业任务，甚至能钻进裂隙。
② 哈尔滨二程人学硕士学位论文英国朴次茅斯大学研究人员以螃蟹和蜘蛛为仿生对象，研发出八足机器人“Robug”。机器人长780mm，宽610mm，高610mm，腿长1000mm，最快行走速度100mm/s，负载能力可达221磅。各腿有四个关节，各关节采用气动驱动方式。此款机器人的环境适应能力极强，能够攀越很大的障碍物，并且能够借助于足端的真空吸盘在竖直的墙壁上行走，甚至于表面像砖块一样粗糙的墙壁也能爬行。
③ 八足步行机器人“Spidernaut”是由美国国家航空航天局于年研发出的一款太空机器人。机器人采用72V/3600W电池供电，每条腿有3个自由度，其中跟关节采用旋转驱动器驱动，中间和足端关节的旋转关节采用的是直线式驱动器驱动。机器人单腿的负载能力可达250磅，机器人总重为270kg，它能够在空间站外表自由行走,也可趴在航天器表面完成检查、修理等任务。
2. 概述
2.1 偏心摇杆仿生八足齿驱式机器人概述
本作品以仿生式机器人为研究对象，利用探索者套件自主搭建模型，模拟仿生机器人的行走姿势，搭建偏心摇杆仿生八足齿驱式机器人，模拟仿生机器人的行走路线。本作品由电机、齿轮、偏心圆盘、底板、连杆等一些元件构成。在此基础上，尝试按键遥控此偏心摇杆仿生八足齿驱式机器人，实现通过指定按键的触发，来完成机器人直走后退停止左拐右拐的功能。
2.2 作品结构设计
2.2.1 驱动装置
采用电机驱动，齿轮安装在电机输出轴上，通过输出齿轮带动从动齿轮，从而使主轴旋转，一共使用了两个电机。
作品说明
电机三维模型图片
电机实物图
2.2.2 偏心机构
主要是采用偏心圆盘，安装到主轴上，来实现机构左脚和右脚交替前进。
偏心圆盘三维图
偏心圆盘实物图
2.2.3 从动连杆结构
采用多种连杆搭建前后行走脚架。每对足共用一个驱动电机，驱动电机通过齿轮传动带动圆盘转动，圆盘与轴连接，足与连杆和圆盘上的连接，圆盘转动就可使得足开始运动。两侧足存在一定相位差，从而使得机构能够像动物一样，前后脚交替前行。由于此八足是由两个四足连接而成，共有两个驱动电机，当两个驱动电机同时正转时，整个机构前进；当两个驱动电机同时反转时，整个机构后退；当两个驱动电机一正一反转时，整个机构转弯。
长连杆三维图
弧形连杆三维图
短连杆三维图
偏心连杆三维图
偏心摇杆式仿生八足机器人侧视图
2.2.4 总体机构
整体机构三维图
整体机构实物图1
整体机构实物图2
整体机构实物图3
2.3 作品控制程序
2.3.1 控制元件及电源
控制板
红外接收头
遥控板
锂电池
2.3.2 控制程序源代码
本作品通过遥控器按键遥控行走，通过控制两个驱动电机的正反转来实现直行后退前进。源代码如下：
| #include<IRremote.h> const byte zuoqian = 5;//左边轮（正转脚） const byte zuohou = 6;//左边轮（反转脚） const byte youqian = 9;//右边轮（正转脚） const byte youhou = 10;//右边轮（反转脚） int RECV_PIN = 11; IRrecv irrecv(RECV_PIN); decode_results results; void setup() { Serial.begin(9600); pinMode(zuoqian,OUTPUT); pinMode(youqian,OUTPUT); pinMode(zuohou,OUTPUT); pinMode(youhou,OUTPUT); irrecv.enableIRIn(); } void zhizou() {digitalWrite(zuoqian,1); digitalWrite(youqian,0); digitalWrite(zuohou,0); digitalWrite(youhou,1);
} void houtui() {digitalWrite(zuoqian,0); digitalWrite(youqian,1); digitalWrite(zuohou,1); digitalWrite(youhou,0);
} void zuo() { digitalWrite(zuoqian,0); digitalWrite(youqian,0); digitalWrite(zuohou,1); digitalWrite(youhou,1);
}
void you() { digitalWrite(zuoqian,1); digitalWrite(youqian,1); digitalWrite(zuohou,0); digitalWrite(youhou,0);
} void ting() {digitalWrite(zuoqian,0); digitalWrite(youqian,0); digitalWrite(zuohou,0); digitalWrite(youhou,0);
} void loop(){ if (irrecv.decode(&results)){ Serial.println(results.value,HEX); irrecv.resume(); } switch(results.value) { case 0xFF18E7: //2 {zhizou();}; break; case 0xFF4AB5: //8 {houtui();}; break; case 0xFF5AA5: //6 {you();}; break; case 0xFF10EF://4 {zuo();}; break; case 0xFF38C7://4 {ting();}; break; } } |
3. 总结
虽然本作品目前完成的工作己经达到了设计目标，但通过深入的研究发现，针对八足机器人的研究仍有很大空间，未来的研究工作可围绕以下几点深入展开大功率关节驱动技术研究：目前机器人的负载能力较弱，要使机器人在未来的应用中更具实用性，必须提高机器人的关节驱动能力、智能控制系统研究；为更好适应复杂的行走地貌，将多种步态规划理论转化为实际的控制效果，机器人必须具备智能强大的控制系统、越障理论的研究；目前八足机器人研究领域对越障理论的研究很少，越障理论研究的开展，将大大提升八足机器人的运动能力。
参考文献
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* 本项目未获得作者开源授权，无法提供资料下载。
