仿生蜘蛛機器人的設計與實現

作者：時間：2014-01-18 來源：網絡

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近幾年，仿生學已經從一個鮮為人知的邊緣學科走進人們視野，運用于生活中的各個領域。生物學機理與機器人的結合，形成仿生機器人，成為廣大研究人員關注的一個焦點。仿生機器人是機器人技術領域中一個新興的發展分支，是指模仿生物、能根據生物的外部形狀，運動原理和行為方式等進行模仿，并能從事生物特點工作的機器人。仿生機器人的種類多樣，涵蓋了天上、地上、水中等活動領域的各類機器人，其中地上行走的機器人，根據其行走方式的不同，還可以分為跳躍機器人、輪式機器人、足式機器人以及爬行機器人。文中主要對蜘蛛機器人進行設計，目標是基于生物界中蜘蛛的生理結構，運用其生物行為，設計出能平衡行走、判斷方向、感受外界刺激的機器人；另外，仿生蜘蛛機器人在結構上有別于人型或輪式機器人，使其在較差路況下行走成為可能，可以執行在廢墟中搜救等任務。因此仿生蜘蛛機器人的設計與實現具有較高的研究價值和實際意義。

1 機器人本體設計
生物界蜘蛛的特點是擁有8條腿，在行走時，總會有4條腿著地，用以保持自身的平衡。其生物行為除了行走，還有轉彎、攻擊、趴下等，每個行為作業都靠腳部的運動來實現，因此對腿部的靈活度要求較高；其次，要使機器人具有生物的特性，需對外界的刺激做出正確的判斷和及時的響應，所以感覺器官的模擬也至關重要。
1．1 軀干設計
考慮到蜘蛛機器人軀干部位對靈活度基本沒有要求，無需搭建活動關節，且整機控制器不宜受到關節活動干擾，于是將整機控制器作為軀干部位，完全符合要求，并且便于操控?？刂破鞑捎?6位高性能低功耗的AVR單片機，頻率最高為16 MHz，運算速度最快為16 MI·s-1。對于小型仿生蜘蛛機器人的運動解算和規劃，該運算能力足以滿足控制和在線規劃的運算要求。

1．2 腿部設計
腿部設計是實現蜘蛛機器人功能的關鍵。機器人設計有6足，行走時依靠兩兩間隔的3條腿構成穩定的三角形支撐地板，每只腿設計為3個關節，即具有3個自由度。并且將軸向分布成x軸、y軸、z軸，實現前后、左右、上下的三維活動空間。選取18個Robotis公司的Dynamixel AX-12+機器人專用伺服電機充當肢體關節。
Dynamixel AX-12+是機器人專用的伺服電機，充當機器人的關節。首先，Dynamixel系列機器人驅動器是一個較流行的模塊化驅動器，由齒輪減速器、精密直流電機和具有串聯功能的電路板封裝組成。盡管它體積小巧緊湊，但它可以產生較大的扭矩，加上高品質材料制造并具有一定的強度，可以抵御一定外部沖擊。同時它還是雙向的伺服控制系統，具有回授功能，且具有檢測內部溫度功能，例如改變內部溫度和供電電壓。具有報警功能：當內部溫度，扭矩，供電電壓等超過額定范圍時，它主動反饋這種情況并閃動LED燈或關閉舵機扭矩來通知用戶，達到報警效果。
Dynamixel AX-12+的位置和速度控制精度可達1 024級(0～1 023)，關節型舵機對應最大轉角為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，命令信號是數字型數據包，通信協議類型為半雙工異步串口通信，不同舵機之間通過唯一的ID進行識別，最大有254個ID。每個Dynamixel AX-12+舵機都有一個控制表存儲舵機的狀態和控制信息，這個控制表由一個RAM區和E2PROM區組成，對舵機的控制實際是通過向其控制表中寫指令；而要獲取舵機當前狀態實際就是讀取控制表相應的值。