仿生蜘蛛机器人的设计与实现

作者：时间：2014-01-18来源：网络收藏

近几年，仿生学已经从一个鲜为人知的边缘学科走进人们视野，运用于生活中的各个领域。生物学机理与机器人的结合，形成仿生机器人，成为广大研究人员关注的一个焦点。仿生机器人是机器人技术领域中一个新兴的发展分支，是指模仿生物、能根据生物的外部形状，运动原理和行为方式等进行模仿，并能从事生物特点工作的机器人。仿生机器人的种类多样，涵盖了天上、地上、水中等活动领域的各类机器人，其中地上行走的机器人，根据其行走方式的不同，还可以分为跳跃机器人、轮式机器人、足式机器人以及爬行机器人。文中主要对蜘蛛机器人进行设计，目标是基于生物界中蜘蛛的生理结构，运用其生物行为，设计出能平衡行走、判断方向、感受外界刺激的机器人；另外，仿生蜘蛛机器人在结构上有别于人型或轮式机器人，使其在较差路况下行走成为可能，可以执行在废墟中搜救等任务。因此仿生蜘蛛机器人的设计与实现具有较高的研究价值和实际意义。

1 机器人本体设计
生物界蜘蛛的特点是拥有8条腿，在行走时，总会有4条腿着地，用以保持自身的平衡。其生物行为除了行走，还有转弯、攻击、趴下等，每个行为作业都靠脚部的运动来实现，因此对腿部的灵活度要求较高；其次，要使机器人具有生物的特性，需对外界的刺激做出正确的判断和及时的响应，所以感觉器官的模拟也至关重要。
1．1 躯干设计
考虑到蜘蛛机器人躯干部位对灵活度基本没有要求，无需搭建活动关节，且整机控制器不宜受到关节活动干扰，于是将整机控制器作为躯干部位，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单片机，频率最高为16 MHz，运算速度最快为16 MI·s-1。对于小型仿生蜘蛛机器人的运动解算和规划，该运算能力足以满足控制和在线规划的运算要求。

1．2 腿部设计
腿部设计是实现蜘蛛机器人功能的关键。机器人设计有6足，行走时依靠两两间隔的3条腿构成稳定的三角形支撑地板，每只腿设计为3个关节，即具有3个自由度。并且将轴向分布成x轴、y轴、z轴，实现前后、左右、上下的三维活动空间。选取18个Robotis公司的Dynamixel AX-12+机器人专用伺服电机充当肢体关节。
Dynamixel AX-12+是机器人专用的伺服电机，充当机器人的关节。首先，Dynamixel系列机器人驱动器是一个较流行的模块化驱动器，由齿轮减速器、精密直流电机和具有串联功能的电路板封装组成。尽管它体积小巧紧凑，但它可以产生较大的扭矩，加上高品质材料制造并具有一定的强度，可以抵御一定外部冲击。同时它还是双向的伺服控制系统，具有回授功能，且具有检测内部温度功能，例如改变内部温度和供电电压。具有报警功能：当内部温度，扭矩，供电电压等超过额定范围时，它主动反馈这种情况并闪动LED灯或关闭舵机扭矩来通知用户，达到报警效果。
Dynamixel AX-12+的位置和速度控制精度可达1 024级(0～1 023)，关节型舵机对应最大转角为300℃，控制角度分辨率为300／1024= 0．29°／步。如图1所示，位置值0是0°，位置值512是150°，位置值1 023是300°等。通信波特率为7 343 bif·s-1～1 Mbit·s-1，命令信号是数字型数据包，通信协议类型为半双工异步串口通信，不同舵机之间通过唯一的ID进行识别，最大有254个ID。每个Dynamixel AX-12+舵机都有一个控制表存储舵机的状态和控制信息，这个控制表由一个RAM区和E2PROM区组成，对舵机的控制实际是通过向其控制表中写指令；而要获取舵机当前状态实际就是读取控制表相应的值。