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仿生蜘蛛機器人的設計與實(shí)現
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時(shí)間：2014-01-18
來(lái)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，運用于生活中的各個(gè)領(lǐng)域。生物學(xué)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(guān)注的一個(gè)焦點(diǎn)。仿生機器人是機器人技術(shù)領(lǐng)域中一個(gè)新興的發(fā)展分支，是指模仿生物、能根據生物的外部形狀，運動(dòng)原理和行為方式等進(jìn)行模仿，并能從事生物特點(diǎn)工作的機器人。仿生機器人的種類(lèi)多樣，涵蓋了天上、地上、水中等活動(dòng)領(lǐng)域的各類(lèi)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(jìn)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(wù)。因此仿生蜘蛛機器人的設計與實(shí)現具有較高的研究?jì)r(jià)值和實(shí)際意義。
1 機器人本體設計
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(zhù)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(gè)行為作業(yè)都靠腳部的運動(dòng)來(lái)實(shí)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(shí)的響應，所以感覺(jué)器官的模擬也至關(guān)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(méi)有要求，無(wú)需搭建活動(dòng)關(guān)節，且整機控制器不宜受到關(guān)節活動(dòng)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(dòng)解算和規劃，該運算能力足以滿(mǎn)足控制和在線(xiàn)規劃的運算要求。
1．2 腿部設計
腿部設計是實(shí)現蜘蛛機器人功能的關(guān)鍵。機器人設計有6足，行走時(shí)依靠?jì)蓛砷g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(gè)關(guān)節，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+機器人專(zhuān)用伺服電機充當肢體關(guān)節。
Dynamixel AX-12+是機器人專(zhuān)用的伺服電機，充當機器人的關(guān)節。首先，Dynamixel系列機器人驅動(dòng)器是一個(gè)較流行的模塊化驅動(dòng)器，由齒輪減速器、精密直流電機和具有串聯(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，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(guò)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)閉舵機扭矩來(lái)通知用戶(hù)，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(guān)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(xié)議類(lèi)型為半雙工異步串口通信，不同舵機之間通過(guò)唯一的ID進(jìn)行識別，最大有254個(gè)ID。每個(gè)Dynamixel AX-12+舵機都有一個(gè)控制表存儲舵機的狀態(tài)和控制信息，這個(gè)控制表由一個(gè)RAM區和E2PROM區組成，對舵機的控制實(shí)際是通過(guò)向其控制表中寫(xiě)指令；而要獲取舵機當前狀態(tài)實(shí)際就是讀取控制表相應的值。 
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