慧鱼仿生六足昆虫

摘要：为了提高运载工具在复杂地面上的通过能力，实现特殊的功能要求，避免恶劣的工作环境对人体的伤害，常常使用移动机器人来实现其工作目标或从事一些人们难以完成的工作。而移动机器人中轮式或履带式移动方式已获得广泛的应用，但是足式移动方式具有轮式和履带式移动方式所没有的优点，足式移动方式的机器人可以相对较易地跨过比较大的障碍（如沟、坎等），并且机器人的足所具有的大量的自由度可以使机器人的运动更加灵活，对凹凸不平的地形的适应能力更强。足式移动机器人的立足点是离散的，跟地面接触面积较小，可以在可达到的地面上选择最优支撑点，即使在表面极度不规则的情况下，通过严格选择足的支撑点，也能够行走自如。因此，足式步行机器人的研究已成为机器人学中一个引人注目的研究领域。独立驱动多足步行机器人运动学研究较多的集中在步态规划方面。步态是步行机器人的一种迈步方式，是步行机器人各腿协调运行的规律，即各腿的抬腿和放腿顺序，它是研究步行机构的一个很重要的参数，是确保步行机构稳定运行的非常重要的因素。

本文基于仿生学原理，利用德国慧鱼公司的仿生机器人包搭接出六足步行机器人。机器人以曲柄摇杆机构作为六足，以智能接口板为控制器，由两个小型带减速器直流电机作为驱动元件，由慧鱼公司开发的LLWIN编程语言来进行编程控制。介绍了该机器人三角步态的行走原理与结构组成，并对其静态稳定性进行了分析。关键词：六足机器人，交替三角步态，离散式落足点目录TOC\o"1-2"\h\u摘要： 21.绪论 42.机械结构设计 52.1机械结构简介 52.2六足仿生机器人结构设计 63.步态运动原理及设计 83.1.关于步态的参数描述 83.2三角步态运动原理 83.3步态设计 94.步态规划方法及分析 104.1步态规划基本原理 104.2运动稳定性分析 104.3典型的步态分析 114.4机器人行走设计 125.三维模型及实物组装展示 135.1三维模型 135.2实物组装展示 156.实物构建和验证 167.成本核算 178.六足仿生昆虫机器人的应用价值 189.结论 18参考文献 191.绪论随着机器人技术的发展，其应用越来越广泛，特别是在许多人类难以到达或者危险性较高的场合，如救灾、巡检、深海探测和核电厂维护等，机器代人势在必行。同时，随着人工智能技术的发展，机器人系统已经逐步具有较高的环境适应能力和自主决策能力，因此在特定场合替代人工巡检时具有很多优势。与轮式和履带式巡检机器人相比较，仿生足式机器人对复杂地形的适应能力更强，工作效率更高，具有灵活度好、可靠性高、适应性强的独特优势。六足仿生机器人由于肢体冗余度较高，其稳定性和负载能力比一般机器人更高，具有丰富的步态和一定的故障容错能力，一直以来都是国内外机器人研究的热点。如何进行合理有效的步态规划、实现各肢体的协调运动，以及六足机器人模型的简化工作，仍是目前研究的重点和难点。国外许多研究机构开发出了多种先进的六足机器人，如美国加州理工大学设计的采用超轻晶圆电池提供动力的小型六足机器人Spider-bot，日本大阪大学研制的手脚两用的机器人asterisk和德国卡尔斯鲁厄大学研发的六足机器人LauronⅣ等。国内典型的有上海交通大学研制的用于灾难救援和环境探测的“六爪章鱼”机器人，北京航空航天大学开发的圆周对称分布结构的NOROS机器人，哈尔滨工业大学设计的以竹节虫为参考模型的六足机器人HIT-Spider和HITCR-Ⅱ等。由此可见，国内外均已在六足仿生机器人的研制上取得了较大突破，在巡检方面的应用将会向实用性、轻量化和智能化的方向发展。对于机器人爱好者或者初级研究者来说，要做一个实用化的六足仿生机器人还是会面临很多困难。本文以一种六足仿生巡检机器人的系统设计为例，从结构设计、步态规划、系统仿真和实物构建等各方面，探索一般意义上的六足仿生机器人系统的设计和实现方法。2.机械结构设计2.1机械结构简介由慧鱼仿生机器人包中的构件拼出六足机器人如图1所示。该机器人的整机结构包括三大部分：机械部分、传感器部分和控制部分。机械部分主要由机体、两个直流电机、齿轮——蜗杆传动机构、六套四连杆机构组成。直流电机驱动电机轴上套接直齿轮，通过齿轮联接带动蜗杆轴的转动。其中电机轴是输出轴，蜗杆轴是工作轴。蜗杆转动带动其一侧的三个蜗轮转动，继而带动腿部运动来控制模型的移动。电机逆向转动来实现模型前进。传感器用机械限位开关可检测前方的障碍物。机器人以慧鱼仿生机器人包中的智能接口板为控制器。由于同一边的腿关节由曲轴与蜗轮联接。可以通过调节曲轴角度来控制各腿相位的异同以及相位差，故可以达成不同的步态。机器人的腿是按照“四连杆机构”设计的。采用的结构类型是曲柄摇杆机构。在曲柄旋转时，机器人的脚以椭圆的形状摆动，这样所产生的运动就类似走路时的一步。安装六个曲柄带动六只脚要严格保持一致同时触地的三只脚要使用同样的曲柄安装。此时离地的三只脚的曲柄作180度旋转。曲柄的正确安装关系到机器人以正确的步调行走。如图2所示曲柄1、3采用相同的相位与曲柄2相差180度。图1六足仿生机器人外形图2六足机器人腿部结构2.2六足仿生机器人结构设计根据仿生学原理，六足机器人的六条步行腿在其身体的两侧呈对称分布，每条腿都具有3个关节，分别称为髋关节、膝关节和踝关节，如图3所示。因此，机器人的每条腿都有3个旋转自由度。图3六足机器人步行腿分布及单腿关节分布从仿生的角度来看，动物在运动过程中腿的运动状态可分为支撑和摆动两个过程。类比到足式机器人身上，则机器人的腿部运动也可分为支撑相和摆动相。为了使机器人快速而稳定地运动，就需要协调各步行腿之间的运动。从机器人腿部分别为左前腿、左中腿、左后腿、右后腿、右中腿、右前腿。结构设计的要点是要模拟动物的一种稳定步态，即在行走过程中，始终有三条腿支撑在地面上，构成稳定的三角形结构支撑身体运动。对于六足机器人来说，会选择左前腿、左后腿和右中腿这三条腿同步运动，同时选择左中腿、右后腿和右前腿这三条腿同步运动。对于单个腿而言，为保证摆动相和支撑相时间相同，增加行进中位和静止这两个中间过程，则单个步行腿的运动过程按时间顺序分为抬腿、迈腿、放腿、行进中位、收腿和静止６个状态。机器人依靠腿部的摆动和肢体的协调来维持身体平衡和实现行走。从运动学的角度看，该六足仿生机器人的腿更像是一个机械臂。因此可用一个三轴串联关节型机器人的建模和分析方法来设计。可用标准D-H参数法建立机器人的单腿数学模型，这样就可以把抬腿、迈腿、放腿、行进中位、收腿和静止６个状态转化为运动学模型的求解和规划，实现更加精准的步态控制。2.3单腿的运动学模型建立将六足机器人的单腿当作一个三关节串联机械臂结构进行分析和建模。首先为一个三关节的机械臂规划路径，即为机器人的一条腿规划轨迹，根据足端的运动轨迹求解逆运动学问题得到各关节的关节角变化，进而根据相位关系得到其他腿的轨迹和关节角，并将它们组合成一个整体，可得到六足机器人的步态。对单腿进行建模，首先要建立坐标系，将坐标系的原点建立在机器人髋关节的中心处，如图4所示。为了方便研究腿的抬起和放下，令Ｚ轴朝下，Ｘ轴朝向机器人前方，因此Ｙ轴就指向图示右侧，即机器人的外侧。使用标准D-H参数法对机器人的腿机构建立数学模型，机械臂的３个关节分别实现机器人髋关节、膝关节和踝关节的转动，而3个连杆则按照实际长度设计，其D-H参数如表１所示。其中，j表示关节编号，theta为关节角，ｄ为连杆偏移，ａ为连杆长度，alpha为连杆扭转角；offset为关节偏置量，用来调整各关节的初始位置。表中负值表示与标准D-H参数法定义的坐标系正方向相反，所有参数单位为标准国际单位。图4机器人腿部模型及其坐标系jthetadaalphaoffset1ql00.062pi/2pi/22q200068003q30-0.1040-pi/2表1机器人腿部D-H参数表根据D-H参数，就可求出机器人每个腿的关节角度与末端位姿之间的对应关系。而且为仿真和步态规划提供理论基础。3.步态运动原理及设计3.1.关于步态的参数描述通俗的说步态是行走系统抬腿和放腿的顺序。步行机器人的腿可以看作两状态器件。腿的悬空相指腿抬离地面的阶段悬空相状态记为“1”。腿的支撑相指腿支撑在地并推动机体向前运动的阶段支撑相的状态记为“0”。运动周期T指周期步态中某一腿运动一个完整循环所需要的时间。周期步态指各腿的运动周期相同且任一腿的运动周期不随时间而变化。有荷因数指腿i支撑在地面上的时间占整个运动周期的比例：则步态称为规则步态。腿i的相对相位指第i足的触地时刻相对于第一足的延时，在一个运动周期中的比例：。步距指一个完整的腿循环中机体重心移动的位置。腿行程指支撑相时足端相对于机体移动的距离。腿节距指横向运动步行机机体同一端上相邻腿运动主平面之间的距离。行程节距指纵向运动步行机机体同一端上相邻腿行程中点的间距。行程间距指横向运动步行机前后足对行程中点的间距。推程时间指腿在支撑相的持续时间；回程时间指腿在悬空相的持续时间，平均速度由此可以导出行程步距和有荷因数之间的关系式是R＝λ·β。静态稳定六足步行机器人由于要求β≥12，所以tr≤tp，即平均速度上限取决于tr。行走系统采用波形步态时，机体每一侧上各腿的迈步动作形成一种由后向前的波形式。自然界六足昆虫在所有速度范围内都采用波形步态，八足动物也常采用波形步态。3.2三角步态运动原理三角步态（或交替三角步态）是β=12时的波形步态，运动时六条腿成两组三角形交替支撑迈步前进。“六足纲”昆虫（蟑螂、蚂蚁等）步行时一般不是六足同时直线前进，而是将三对足分成两组以三角形支架结构交替前行。身体左侧的前、后足及右侧的中足为一组右侧的前、后足和左侧的中足为另一组分别组成两个三角形支架。当一组三角形支架中所有的足同时提起时，另一组三角形支架的三只足原地不动，支撑身体并以其中足为支点，前足胫节的肌肉收缩。拉动身体向前，后足胫节的肌肉收缩，将虫体往前推；因此身体略作以中足为支点的转动,同时虫体的重心落在一另一组“三角形支架”的三足上,然后再重复前一组的动作。互轮换周而复始。这种行走方式使昆虫可以随时随地停息下来。因为重心总是落在三角支架之内，这就是典型的三角步态行走法。其行走轨迹并非是直线，而是呈“之”字形的曲线前进。机器人采用三角步态的运动示意如图5所示。机器人开始运动时，左侧的2号腿和右侧的4、6号腿抬起准备向前摆动，另外三条腿1、3、5处于支撑状态。支撑机器人本体确保机器人的原有重心位置处于三条支腿所构成的三角形内，使机器人处于稳定状态不至于摔倒（见图5a），摆动腿2、4、6向前跨步（见图5b），支撑腿1、3、5一面支撑机器人本体。一面在小型直流驱动电机和皮带传动机构的作用下驱动机器人本体，使机器人机体向前运动一个半步长S（见图5c）。在机器人机体移动到位时，摆动腿2、4、6立即放下，呈支撑态。使机器人的重心位置处于2、4、6三条支撑腿所构成的三角形稳定区内，原来的支撑腿1、3、5已抬起并准备向前跨步（见图5d），摆动腿1、3、5向前跨步（见图5e），支撑腿2、4、6此时一面支撑机器人本体。一面驱动机器人本体，使机器人机体向前运动一个步长S（见图5f）。如此不断从步态(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)、(a)、。循环往复周而复始实现机器人不断向前运动。3.3步态设计步态设计是实现步行的关键之一，为达到较为理想的步行，考虑下列要求：①步行平稳、协调、进退自如、无左右摇晃及前后冲击；②机体和关节间没有较大的冲击，特别是在摆动腿着地时与地面接触为软着陆；③机体保持与地面平行且始终以等高运动，没有明显的上下波动；④摆动腿胯步迅速，腿部运动轨迹圆滑，关节速度与加速度轨迹无奇点；⑤占空系数β的合理取值。根据占空系数β的大小可分为3种情况：①β＝0．5，在三摆动腿着地的同时另外三支撑腿立即抬起，即任意时刻同时只有支撑相或摆动相；②β＞0．5，机器人移动较慢时，摆动相与支撑相有一短暂的重叠过程，即机器人有六条腿同时着地的状态；③β＜0．5，机器人移动较快时，六条腿有同时为摆动相的时刻，即六条腿同时在空中处于腾空状态，显然此交替过程要求机器人机构具有弹性和消振功能，否则难以实现。本文所研究的六足机器人的步态是β＝0．5时的状态。在三摆动腿着地的同时,另外三支撑腿立即抬起,即任意时刻同时只有支撑相或摆动相。图5六足步行机器人步态示意图4.步态规划方法及分析4.1步态规划基本原理对于面向巡检类的机器人来说，步态规划是路径规划的充分条件。描述机器人的步态除了支撑相和摆动相之外，还有步态周期Ｔ、占空系数β、步幅和支撑多边形等，其中Ｔ和β尤为重要。步态规划的核心要义就是在行走过程中，始终有三条腿支撑在地面上，构成稳定的三角形结构支撑身体运动。步态周期Ｔ主要是指完成一个步态所需要的时间，也就是机器人所有腿依次按顺序完成抬腿、迈腿、放腿、行进中位、收腿和静止动作所花费的时间，在此过程中机器人机体也完成相应运动。占空系数β是指机器人的某个步行腿在地面上支撑身体所用的时间占整个运动周期所需时间的比例，具体定义如式所示：；式中，Tst为单腿在一个步态周期内处于支撑相的时间，Tsw为单腿在一个步态周期内处于摆动相的时间。六足仿生机器人的步态随占空系数β的不同而变化。大多数研究者认为，当β＝1/2时，六足机器人在整个运动过程中始终有三条腿在地面上支撑身体，且单个步行腿摆动相和支撑相的时间相同，运动的效率较高。基于上述原理，六足机器人的纵向行走包括前进、后退、转弯等运动，六足机器人的横向行走是一种类似螃蟹步态的行走运动，因此可采用重心随动的三角步态规划方法来设计机器人的运动步态。4.2运动稳定性分析将足式机器人各支撑腿与地面的接触点按顺序依次连接起来，以此构成的封闭凸多边形在水平面上的投影，称为多足机器人的支撑多边形。在运动过程中，若机器人质心的投影始终位于其支撑多边形内，则认为其在运动过程中始终具有运动的稳定性。在此引入稳定裕度的量化方法来衡量相对稳定性的大小。忽略单腿摆动对质心位置变化的影响，即认为机器人在行走过程中，质心始终落在其几何中心上。质心投影到支撑多边形各边的距离为d1、d2及d3，则可按式(2)来定义机器人的稳定裕度：S=mim{d1,d2,d3}(2)稳定裕度描述了机器人在运动过程中相对稳定性的大小，稳定裕度越大，运动的静态稳定性越高，机器人不容易发生倾倒侧翻等故障。因此在一些复杂的环境中，需要根据稳定性分析，选择合适的步态，统筹兼顾运动的快速性和稳定性要求。4.3典型的步态分析根据2.2六足仿生机器人结构设计，我们把图3的多腿分布分成两组。把1、3、5号腿作为Ａ组，将2、4、6号腿作为B组，同组的各步行腿在整个运动过程中始终保持同步动作。先令Ａ组腿支撑在地面上，B组腿向前迈一步，与此同时Ａ组腿向后摆动，推动机器人前进；然后B组腿支撑在地面上，Ａ组腿向前迈一步，与此同时Ｂ组腿向后摆动，推动机器人前进。在此过程中机器人的重心随运动过程发生变化，因此称之为重心随动的三角步态。单个步行腿的运动过程，按照具体运动细分为抬腿，迈腿，放腿，收腿。同时，为保证摆动相和支撑相时间相同，增加行进中位和静止这两个中间过程，则单个步行腿的运动过程按时间顺序依次为：１）抬腿：将腿竖直抬起离开地面，为腿的移动做准备；２）迈腿：在水平方向移动腿，使腿运动到目标位置的正上方；３）放腿：将处于目标位置的腿放下，起到支撑的作用；４）行进中位：使腿部摆到目标位置和起始位置的中间位置，利用摩擦力移动身体。增加这一中间过程能使步态更加稳定协调；５）收腿：使腿进一步摆动，回到开始运动时的动作，利用摩擦力使身体前进；６）静止：腿保持不动。两组腿之间的运动顺序如表2所示，按时间先后从左到右进行。两组腿分别按照表２的顺序动作,即可实现稳定而协调的三角步态。步行腿动作A组行进中位收腿静止抬腿迈腿放腿B组抬腿迈腿放腿行进中位收腿静止表2步行腿运动过程4.4机器人行走设计在solidworks软件里测量得到单条腿的结构尺寸，将其简化成如下连杆结构，如图6所示。图6单腿连杆机构在UGNX软件动力学分析模块中，创建连杆，建立旋转副，捕捉腿部顶端位移变化情况，如图7所示。图7UG动力学模型建立腿部顶端位移变化情况如图8所示：图8腿部顶端位移变化在六足机器人步态中,由于三角步态比其他步态更具有行走快的特点,且方案较为成熟,所以本设计将以三角步态为基础设计六足机器人步态。5.三维模型及实物组装展示5.1三维模型六足仿生机器人整体如图9所示：图9整体图主视图结构展示，如图10：图10主视图左视图结构展示，如图11：图11左视图俯视图结构展示，如图12：图12俯视图5.2实物组装展示实物整体如图13所示：图13实物整体腿部细节如图14所示：图14腿部细节基于仿生学原理在分析六足昆虫运动机理的基础上，对六足仿生机器人的三角步态运动原理进行了分析与设计，利用慧鱼仿生机器人包中的构件拼出六足机器人。并对该机器人样机进行了实验，实验结果表明该机器人具有较好的机动性。6.控制部分6.1ROBOPRO软件介绍ROBOPRO软件作为慧鱼创意模型的核心控制部分，ROBOTXT控制器实现了控制模型的运动过程，而ROBOTX控制器控制过程的实现，需要应用软件进行编程。ROBOPro软件是针对ROBOTX控制器、ROBO接口板的编程软件。为了简化编程过程，降低使用软件的门槛，ROBOPro软件使用流程图式的图框编程过程。用户只需进行简单的学习，加上已有逻辑思维能力，就可以畅游于慧鱼创意世界之中。6.2ROBOTXTController控制器6.2.1控制器外观6.2.2ROBOTXTController接口分布6.2.3ROBOTXTController主要功能如果说ROBOPRO软件是程序的核心，那么ROBOPROTXTController就是程序实现的载体，作为连接程序和执行器之间的桥梁，ROBOTXTController的功能极其强大，它具有统一的输入/输出端口，简单易懂的操作系统。可以两个ROBOTXTController控制板控制多个执行器共同实现设计的功能。6.3连接接口板ROBOpro有三种连接控制板的方法，分别是（1）通过USB线进行连接（2）通过蓝牙连接（3）通过无线局域网连接连接步骤1、使用USB线连接在未新建脚本的环境下(USB线方法)使用USB线连接电脑和控制板，当控制板开机后电脑会自动识别。安装驱动后在ROBOpro软件中点击COM/USB选项，2、选择自己接口板类型，点击OK3、选择自己的连接方式，点击确定4、点击测试5、若连接成功，会出现如图所示界面，若报错，关闭软件重复上述步骤6、此时，就可以新建脚本文件进行编程7、程序在线运行和下载点击1可以在线运行程序点击2可以停止正在运行的程序点击下载即可将程序下载进控制板中2、蓝牙方法连接控制板打开控制板的蓝牙开关（settings-network-bluetooth）Bluetooth下数字为连接时输入的pin码电脑打开蓝牙选项，在蓝牙中搜索控制板连接成功后点击设备和打印机选择控制板型号，右键-连接时选择-接入点点击后会显示连接成功接下来按照步骤1进行配置。注：步骤3选择第三项bluetooth6.4程序逻辑框图6.实物构建和验证按照仿真验证的系统功能要求，我们采用了慧工仿（北京）科技有限公司配件和北京中教仪人工智能科技有限公司控制器，搭建的六足机器人实物，测试得到六足机器人纵行和横行运动的数据。由于有避障的要求，六足机器人可能需要走复杂曲线，因此可以在仿真理论数据的基础上稍加改动即可。同时，为了提高机器人运动的稳定性，应在运动交替的时候加入一段共同的支撑时间。表3纵向行走的实验数据舵机编号A中位B抬腿A收腿B迈腿A静止B放腿A抬腿B中位A迈腿B收腿A放腿B静止111491641801801801491217917717717713214013170180183183215199211801801491491641802217713214017917717723183215179170180183311491641801801801493217917717717713214033170180183183215199411801801491491641804217713214017917717743183215199170180183511491641801801801495217917717717713214053170180183183215199611801801491491641806217713214017917717763183215199170180183实验数据如表３所示，其中1、3、5为Ａ组，2、4、6为Ｂ组，11、12、13分别代表左前腿髋关节、膝关节和踝关节的舵机输出角度，以此类推。表中的数据已按照实际情况增加了180°，且分别对应各动作的起点位置。表4横向行走的实验数据舵机编号A中位B抬腿A收腿B迈腿A静止B放腿A抬腿B中位A迈腿B收腿A放腿B静止11180180180180180180121831781771771331461315517118318321418521180180180180180180221771331461831781772318321418515517118331180180180180180180321831781771771331463315517118318321418541180180180180180180421771331461831781774318321418i155171183511801801801801801805218317817717713314653155171183183214185611801801801801801806217713314618317817763183214185155171183在实物上进行了测试，并且能满足设计要求，很好地实现了三足步态的纵行运动和横行运动，且避障性能良好，符合预期目标。7.成本核算序号编号名称数量单价总价1601005机械演绎组合包1316.00316.002601014重型矿山机械组合包1265.00265.00334969可充电电源2190.00380.004540585蓝牙控制组16780.006780.00总计7,741.00序号编号名称数量单价总价1601011机器人探索组合包1653.00653.002505281马达组件XS1125.00225.003505282马达组件XM1105.00305.004501100直流开关电源9V2198.00396.00总计1,579.008.六足仿生昆虫机器人的应用价值足式移动方式的机器人可以相对较易地跨过比较大的障碍，对地形的适应能力更强，其可实现提高运载工具在复杂地面上的通过能力，实现特殊的功能要求，避免恶劣的工作环境对人体的伤害。随着现代技术的不断发展,人类对于自然界的探索范围也日趋扩大,对于某些人类不能进入的地方只能依赖于机器人进行替代，适用于复杂地形的运动的六足机器人可实现探索，检测功能。六足机器人可以更好的适应复杂的环境，在很多恶劣的环境中，准确地完成特殊任务和难以完成的工作，比如废墟、火灾现场等。因此推进多足机器人的研究对国防、救灾等领域具有重要意义。随着人工智能技术的发展，机器人系统已经逐步具有较高的环境适应能力和自主决策能力，因此在特定场合替代人工巡检具有很多优势。仿生足式机器人对复杂地形的适应能力更强，工作效率更高，具有灵活度好、可靠性高、适应性强的独特优势。9.结论人们目前对于运动能力强、便于扩展的机械平台的需求日益增长，以往的轮式、履带式机器人已经逐渐的不能够适应当前情况。人们开始探索能够更加稳定、广泛的适应于现实生活中的机器人。多足机器人是一种模仿昆虫的运动形式，通过使用舵机来模拟六足昆虫的运动姿态，进而能够完成类似六足昆虫的稳定移动的一类机器人。仿生六足昆虫机器人通过借鉴昆虫爬行的原理，有着