多功能仿生机械章鱼设计

徐莉

摘要：多足机器人对楼梯的攀登能力相对较弱，而在我国大部分地区的建筑均为楼房，虽然有的高楼建筑存在电梯，但是大部分建筑只有普通台阶。由于楼房台阶对机器人的机动性的要求越来越高，而传统的轮式和履带式的机器人对地形的适应能力有限，人们寻求一种更有效的楼房台阶运载工具。八足机器人，可以自行在野地行走，爬坡，越障，奔跑，外界干扰后保持平衡，安全完整的运送物件。这不但在理论、设计、制造等诸多方面是革命性创新，而且对未来战争的模式将会带来变革性的影响。为了实现楼梯攀岩能力，研究出适用于台阶运送的仿生、智能的多足运载机器人势在必行。

Abstract： The ability of multi-legged robots to climb stairs is relatively weak， and most of the buildings in China are storied buildings. Although there are elevators in some high-rise buildings， most buildings only have ordinary stairs. As building steps have higher and higher requirements for the mobility of robots， and traditional wheeled and crawler robots have limited adaptability to terrain， people are looking for a more effective building step carrier. The eight-legged robot can walk in the wild， climb hills， cross obstacles， and run on its own. After external interference， it can maintain its balance and transport objects safely and completely. This is not only a revolutionary innovation in many aspects such as theory， design and manufacturing， but also has a transformative impact on the pattern of future warfare. In order to achieve the stair climbing ability， it is imperative to develop a bionic and intelligent multi-legged carrier robot suitable for step transportation.

關键词：送快递;八足机器人;爬楼梯;结构设计;步态分析

Key words： express delivery;eight-legged robot;stair climbing;structural design;gait analysis

中图分类号：TP242                                      文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）24-0172-02

0  引言

随着机构学、控制论、仿生学、人工智能、计算机科学以及信息与感知技术的深入研究，仿生机器人技术的发展越来越成熟，目前一个国家高科技水平和工业自动化程度的重要标志就是仿生机器人技术的水平，目前这种水平也变成了科学研究的热点，并且伴随着人们对未知环境的探索不断增加，多足机器人技术也相对来说越来越成熟，发展的也比较快。在崎岖不平的路面步行机器人与轮式、履带式移动机器人相比具有独特优越性能，在这种环境下多足步行机器人的研究蓬勃发展起来。而仿生步行机器人的出现更加显示出步行机器人的优势。

1  国内外多足机器人研究现状

国外现状：美国，日本和德国一直是科学和技术的发展名单的前列。多足仿生机器是研究学者在国内外的研究热点。仿生机器人研究的是外部形状和在自然界中活生物体的某些功能。经过三四十年的研究，世界各国已研制出多种多足仿生机器人，并应用到各种领域。

国内现状：哈尔滨工程大学于2001年开始两栖仿生机器人的研究，先后研制出多种样机。2012年，哈尔滨工业大学机器人技术与国家重点实验室以竹节虫为仿生原型，研发出六足机器人HITCR-II;浙江大学于2009年研发出六足步行机器人。

2  主要研究内容

2.1 多功能仿生机械章鱼研究任务

现在我们对机器人主要研究的任务包括以下几点：

①对八足爬行机器人的动力研究;

②对八足爬行机器人的行走步态研究;

③八足爬行机器人的结构研究。

2.2 多功能仿生机械章鱼的总体设计

2.2.1 结构设计

我们采用了关节式设计，因为这种多关节的机器人活动的距离比较大，并且活动很自如，所以现在的多足机器人都运用这种形式。而且这种关节式的机器人不管在什么情况下运动的范围都是很大的，而且基本上是没有死点这个说法。

2.2.2 舵机的选择

我们初步设定机器人移动速度为10°/s，經过对转矩的计算，选择了如图1的DS3115型号的舵机。

2.2.3 八足机器人的结构设计

机器人身体长度482mm，宽度471mm，机器人站立时的高度168mm。机器人每条腿都有三个自由度，前两个自由度都是和Z轴垂直的，最后一个自由度是跟Z轴平行的，这三个自由度每一个都是由一个舵机单独的来驱动。为了保证机器人的稳定能力，八个足端呈椭圆形分布。

2.2.4 自由度计算

每条腿有三个关节组成，分别是基节、股节、胫节，分别初步设定长度为45mm、112mm、135mm，根据公式F=3n-2P1-Ph=3×3-2×3-0=3得出每个机械腿由三个自由度组成连接腿部关节。

根据初始状态时机器人腿的伸开最大长度和机体的重心高度的要求。机器人腿伸开最大长度量由公式计算可得：

Lmax=285mm

Smax=376mm

2.2.5 强度校核

①基节连接件的设计与校核。

基节连接件起着机械腿与身体的连接作用，所以连接件就需要有一定的强度，现连接件厚度初步定为1mm，保证所设计厚度强度能达到标准，所以要校核连接件的截面。通过计算基节连接板的厚度选1mm合适。

②支撑板的设计与校核。

电机支撑板主要是连接着舵机通过舵机让机械腿和机器人的身体连接到一起，因为这个板有一个弯曲的形状，所以弯曲的那个截面，很容易断，故他一定要有一定强度，我们把支撑板的厚度设定1mm，我们避免支撑板被折坏，所以我们要把这块板子进行校核。我们根据计算得出板子体积是5628mm3。铝合金材料的密度为7.93kg/cm3，可算得电机支撑件的质量为0.045kg，厚度选1mm。第二个关节重0.031kg，厚度为1.5mm，三个关节强度计算其重量为0.069kg，厚度为2mm。

3  控制系统设计

控制采用STM32单片机编程来操控各个舵机使机器足进行移动STM32单片机是有32系统，在单片机理他已经是相当高端的了，并且核心板子只需要最小系统就可以承载很多的复杂程序，现在的机器人包括一些智能机器人都用STM32单片机当作核心控制板，在市场内应用STM32单片机当控制板的有很多，不局限于机器人的领域，与STM32单片机能够搭配的软件和工具特别多，使该系列芯片成为众多产品的理想选择，不管是小终端还是一份大型的平台。所以STM32单片机完全适用机器人控制的核心板。

4  结语

八足快递机器人，是特别适合送快递的，比如现在有很多的老楼是没有电梯的，机器人需要爬楼梯进行送快递，像轮式等一些机器人是没有办法完成这些动作的，八足爬行机器人就可以完全客服这项困难，只要我们设计好足够长的机械腿，并把程序编好就可以，这样机器人通过某种步态的配合，就可以完成爬楼梯的设计。

本次此设计机器人最大的困难就是机器人零件的制作，因为很多关节需要强度的，不能全部用3D打印制作，只能中间的关节进行3D打印制作，而机器人身体和机器人的最后一个关节，我们采用铝合金材料，找某商家进行激光切割制作，剩下的有一些零件是有折弯的，需要在网上定做。

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