仿生蜘蛛探寻机器人设计

孙祖威，张文廷，李晓丹，王博雨，燕文俊

(辽宁工业大学，辽宁 锦州 121001)

0 引言

随着科技的发展，各式各样的机器人开始代替人类去完成日常甚至危险的工作，其中应用较为广泛的机器人有多足式机器人和轮式、履带式机器人。多足式步行机器人的运动轨迹是一些离散点，而轮式、履带式机器人的运动轨迹是连续的线，在一些复杂地形情况中，多足式机器人的适应性更强，因此多足式机器人也成为了机器人学研究领域中的热点[1]。

国内已在步行机器人领域中取得了一定的研究成果，设计出了许多具有代表性的机器人，如哈尔滨工业大学的类豹型机器人[2]、山东大学的液压步行机器人[3]等，从这些具有代表性的多足式步行机器人的研究过程中可以发现，其研究的重点在于实现高承载、高速以及低功耗等一些特性，而这些特性的实现所依靠的是复杂的腿部结构以及控制算法。因此，本文设计一种由曲轴、连杆以及其他部件组合而成的多足随动式仿生蜘蛛探寻机器人，其结构简单且运动可靠，大大降低了多足式机器人的结构及控制复杂度。

1 仿生蜘蛛探寻机器人设计

1.1 仿生蜘蛛探寻机器人方案设计

结合蜘蛛爬行动作中的几个阶段以及对多足式步行机器人步态的分析，使用SolidWorks软件建立了仿生蜘蛛探寻机器人的三维模型并进行了运动仿真，设计出了一款结构简单、运动可靠，且多个足端能够随动的仿生蜘蛛探寻机器人。

该仿生蜘蛛探寻机器人能够通过马达带动主齿轮及连杆和曲轴进行运动，可以模仿蜘蛛爬行动作以完成基本的爬行，能通过控制舵机以控制仿生蜘蛛探寻机器人前端夹爪的动作，以实现简单的搬运功能。仿生蜘蛛探寻机器人的三维模型图如图1所示。

图1 仿生蜘蛛探寻机器人三维模型图

1.2 仿生蜘蛛探寻机器人结构设计

仿生蜘蛛探寻机器人主要由动力源、传动部件、夹爪及腿部零件等组成。仿生蜘蛛探寻机器人的三维结构简图如图2所示。

1—夹爪；2—动力源；3—腿部零件；4—传动部件。

1.3 仿生蜘蛛探寻机器人腿部设计

1.3.1 腿部零件设计

腿部零件设计如图3所示。

1—连杆安装孔；2—曲轴安装孔。

其中，连杆安装孔用于安装连杆，仿生蜘蛛探寻机器人的腿部零件有8个，同时连杆的个数也为8个；曲轴安装孔用于安装曲轴，曲轴的个数为4个。

1.3.2 连杆设计

连杆设计如图4所示。

1—腿部零件安装处；2—主安装板安装孔。

其中，凸起结构用于腿部零件的安装，其与图3腿部零件的连杆安装孔相配合；安装孔安装在主安装板上，使连杆及与其相配合的腿部零件绕一个中心轴做弧形非圆周运动。

1.3.3 曲轴设计

曲轴是实现多足随动的主要部件，为了使结构可靠，将其设计为齿轮轴的形式，如图5所示。

1—齿轮；2—轴段一；3—轴段二；4—轴段三。

其中，轴段一用于齿轮的定位安装，安装在主安装板上；轴段二用于安装前后交错的腿部零件中靠近齿轮的那一个腿部零件，其与图3腿部零件中的曲轴安装孔相配合；轴段三用于安装前后交错的腿部零件中靠近主安装板的那一个腿部零件，配合关系同轴段二。

1.3.4 腿部整体结构

腿部及其零件整体的安装效果如图6所示。

1—主安装板；2—连杆；3—腿部零件；4—曲轴。

1.4 仿生蜘蛛探寻机器人传动部件设计

仿生蜘蛛探寻机器人在运动过程中需要将动力源产生的动力平稳地传动到各个腿部零件上，并且需要将速度降至合适的区间内，而齿轮的优点便是传动平稳且传动比可自行设计，并且结构紧凑，适用于仿生蜘蛛探寻机器人，因此采用齿轮组进行传动，如图7所示。

1—曲轴齿轮；2—传动齿轮；3—动力齿轮。

其中，曲轴上的齿轮齿数为31，传动齿轮的齿数为18，动力齿轮的齿数为26，经计算，该齿轮组的中心距及传动比均满足要求。

1.5 仿生蜘蛛探寻机器人夹爪的设计

仿生蜘蛛探寻机器人的夹爪设计如图8所示。

图8 夹爪

夹爪的设计可使仿生蜘蛛探寻机器人进行一些简单的夹取与搬运。

1.6 仿生蜘蛛探寻机器人控制流程

仿生蜘蛛探寻机器人由STM32系列单片机中的STM32F103型号单片机进行控制。仿生蜘蛛探寻机器人行走及夹取动作通过由STM32单片机控制2个直流电机以及1个舵机来完成。工作时，直流电机带动动力齿轮转动，动力齿轮带动传动齿轮，传动齿轮带动曲轴齿轮，曲轴齿轮带动腿部上装置的连杆机构以带动2只腿运动，另外2只腿则是需要齿轮组中另一侧的齿轮来带动，2条腿同时装配了连杆机构，机器人前端的夹爪则是需要使用舵机来带动。仿生蜘蛛探寻机器人的控制系统原理图如图9所示。

图9 仿生蜘蛛探寻机器人控制系统原理图

2 仿生蜘蛛探寻机器人运动仿真

使用SolidWorks软件的运动仿真功能对仿生蜘蛛探寻机器人进行了运动仿真，仿生蜘蛛探寻机器人的行走过程并不复杂，本次仿真主要针对仿生蜘蛛探寻机器人的行走过程。运动仿真过程中部分重要的动作如图10所示。

(a)靠后四腿落地

(b)靠后四腿抬起1/3

(c)靠后四腿抬起2/3

(d)靠后四腿全部抬起

由图10可知，仿生蜘蛛探寻机器人在行走时的动作与蜘蛛的爬行动作相似，且在结构上并无干涉，说明设计方案可行。

3 结语

通过SolidWorks软件对仿生蜘蛛探寻机器人进行三维建模与运动仿真。结果证明，仿生蜘蛛探寻机器人原理可行，在运动时，结构上并无干涉。从仿生蜘蛛探寻机器人的行走等动作中可看出其良好的协调性和灵活性。由于具有广阔的应用前景和实用性能，仿生蜘蛛探寻机器人将在未来诸多领域发挥重要作用。