仿生蜘蛛機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

作者：時(shí)間：2014-01-18 來源：網(wǎng)絡(luò)

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近幾年，仿生學(xué)已經(jīng)從一個(gè)鮮為人知的邊緣學(xué)科走進(jìn)人們視野，運(yùn)用于生活中的各個(gè)領(lǐng)域。生物學(xué)機(jī)理與機(jī)器人的結(jié)合，形成仿生機(jī)器人，成為廣大研究人員關(guān)注的一個(gè)焦點(diǎn)。仿生機(jī)器人是機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域中一個(gè)新興的發(fā)展分支，是指模仿生物、能根據(jù)生物的外部形狀，運(yùn)動(dòng)原理和行為方式等進(jìn)行模仿，并能從事生物特點(diǎn)工作的機(jī)器人。仿生機(jī)器人的種類多樣，涵蓋了天上、地上、水中等活動(dòng)領(lǐng)域的各類機(jī)器人，其中地上行走的機(jī)器人，根據(jù)其行走方式的不同，還可以分為跳躍機(jī)器人、輪式機(jī)器人、足式機(jī)器人以及爬行機(jī)器人。文中主要對(duì)蜘蛛機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)，目標(biāo)是基于生物界中蜘蛛的生理結(jié)構(gòu)，運(yùn)用其生物行為，設(shè)計(jì)出能平衡行走、判斷方向、感受外界刺激的機(jī)器人；另外，仿生蜘蛛機(jī)器人在結(jié)構(gòu)上有別于人型或輪式機(jī)器人，使其在較差路況下行走成為可能，可以執(zhí)行在廢墟中搜救等任務(wù)。因此仿生蜘蛛機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)具有較高的研究?jī)r(jià)值和實(shí)際意義。

1 機(jī)器人本體設(shè)計(jì)
生物界蜘蛛的特點(diǎn)是擁有8條腿，在行走時(shí)，總會(huì)有4條腿著地，用以保持自身的平衡。其生物行為除了行走，還有轉(zhuǎn)彎、攻擊、趴下等，每個(gè)行為作業(yè)都靠腳部的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，因此對(duì)腿部的靈活度要求較高；其次，要使機(jī)器人具有生物的特性，需對(duì)外界的刺激做出正確的判斷和及時(shí)的響應(yīng)，所以感覺器官的模擬也至關(guān)重要。
1．1 軀干設(shè)計(jì)
考慮到蜘蛛機(jī)器人軀干部位對(duì)靈活度基本沒有要求，無需搭建活動(dòng)關(guān)節(jié)，且整機(jī)控制器不宜受到關(guān)節(jié)活動(dòng)干擾，于是將整機(jī)控制器作為軀干部位，完全符合要求，并且便于操控。控制器采用16位高性能低功耗的AVR單片機(jī)，頻率最高為16 MHz，運(yùn)算速度最快為16 MI·s-1。對(duì)于小型仿生蜘蛛機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)解算和規(guī)劃，該運(yùn)算能力足以滿足控制和在線規(guī)劃的運(yùn)算要求。

1．2 腿部設(shè)計(jì)
腿部設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)蜘蛛機(jī)器人功能的關(guān)鍵。機(jī)器人設(shè)計(jì)有6足，行走時(shí)依靠?jī)蓛砷g隔的3條腿構(gòu)成穩(wěn)定的三角形支撐地板，每只腿設(shè)計(jì)為3個(gè)關(guān)節(jié)，即具有3個(gè)自由度。并且將軸向分布成x軸、y軸、z軸，實(shí)現(xiàn)前后、左右、上下的三維活動(dòng)空間。選取18個(gè)Robotis公司的Dynamixel AX-12+機(jī)器人專用伺服電機(jī)充當(dāng)肢體關(guān)節(jié)。
Dynamixel AX-12+是機(jī)器人專用的伺服電機(jī)，充當(dāng)機(jī)器人的關(guān)節(jié)。首先，Dynamixel系列機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器是一個(gè)較流行的模塊化驅(qū)動(dòng)器，由齒輪減速器、精密直流電機(jī)和具有串聯(lián)功能的電路板封裝組成。盡管它體積小巧緊湊，但它可以產(chǎn)生較大的扭矩，加上高品質(zhì)材料制造并具有一定的強(qiáng)度，可以抵御一定外部沖擊。同時(shí)它還是雙向的伺服控制系統(tǒng)，具有回授功能，且具有檢測(cè)內(nèi)部溫度功能，例如改變內(nèi)部溫度和供電電壓。具有報(bào)警功能：當(dāng)內(nèi)部溫度，扭矩，供電電壓等超過額定范圍時(shí)，它主動(dòng)反饋這種情況并閃動(dòng)LED燈或關(guān)閉舵機(jī)扭矩來通知用戶，達(dá)到報(bào)警效果。
Dynamixel AX-12+的位置和速度控制精度可達(dá)1 024級(jí)(0～1 023)，關(guān)節(jié)型舵機(jī)對(duì)應(yīng)最大轉(zhuǎn)角為300℃，控制角度分辨率為300／1024= 0．29°／步。如圖1所示，位置值0是0°，位置值512是150°，位置值1 023是300°等。通信波特率為7 343 bif·s-1～1 Mbit·s-1，命令信號(hào)是數(shù)字型數(shù)據(jù)包，通信協(xié)議類型為半雙工異步串口通信，不同舵機(jī)之間通過唯一的ID進(jìn)行識(shí)別，最大有254個(gè)ID。每個(gè)Dynamixel AX-12+舵機(jī)都有一個(gè)控制表存儲(chǔ)舵機(jī)的狀態(tài)和控制信息，這個(gè)控制表由一個(gè)RAM區(qū)和E2PROM區(qū)組成，對(duì)舵機(jī)的控制實(shí)際是通過向其控制表中寫指令；而要獲取舵機(jī)當(dāng)前狀態(tài)實(shí)際就是讀取控制表相應(yīng)的值。