仿生蜘蛛機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要 將仿生學(xué)與機(jī)器人相結(jié)合，是根據(jù)生物界蜘蛛的生理結(jié)構(gòu)和行為舉止，設(shè)計(jì)了一種能夠運(yùn)用6足穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)行走、轉(zhuǎn)彎、攻擊、趴下等系列動作的仿生蜘蛛機(jī)器人，并添加了睡眠模式、聲音啟動、遙控操作等功能。不僅在硬件方面模仿生物蜘蛛的外觀，而且在軟件上設(shè)計(jì)了其生物行為，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的生物特性。
關(guān)鍵詞 仿生蜘蛛機(jī)器人；Dynamixel AX-12+；Dynamixel AX-S1；舵機(jī)

    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)具有較高的研究價(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)動來實(shí)現(xiàn)，因此對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)器人軀干部位對靈活度基本沒有要求，無需搭建活動關(guān)節(jié)，且整機(jī)控制器不宜受到關(guān)節(jié)活動干擾，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?？刂破鞑捎?6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。對于小型仿生蜘蛛機(jī)器人的運(yùn)動解算和規(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)依靠兩兩間隔的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)動器是一個(gè)較流行的模塊化驅(qū)動器，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)，它主動反饋這種情況并閃動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(0～1 023)，關(guān)節(jié)型舵機(jī)對應(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。

1．3 感覺器官設(shè)計(jì)
    設(shè)計(jì)蜘蛛機(jī)器人的感官系統(tǒng)時(shí)，如果每個(gè)感官對應(yīng)一個(gè)傳感器模塊，那么對蜘蛛機(jī)器人關(guān)節(jié)活動便會增加許多牽絆與阻礙。于是，設(shè)計(jì)采用1個(gè)集超聲測距傳感器、聲音檢測傳感器、亮度傳感器、溫度傳感器和紅外線接收器于一身的Robotis公司的DynamixelAX-S1模塊來充當(dāng)機(jī)器人的感官系統(tǒng)。并且AX-S1與AX-12+機(jī)器人專用伺服電機(jī)在通信方式上一致，以便于通信和控制器統(tǒng)一管理；在機(jī)械上結(jié)構(gòu)相同，外觀上也可以達(dá)到統(tǒng)一、美觀。
1．4 本體結(jié)構(gòu)
    根據(jù)生物蜘蛛外形，設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)為：以控制器作為身體部位，連接6足，將傳感器模塊作為頭部。選取合適的連接件，最終拼裝連接得到小型仿生蜘蛛機(jī)器人樣機(jī)，如圖2所示。

2 機(jī)器人行為設(shè)計(jì)
    控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，將整個(gè)工作流程劃分為：系統(tǒng)初始化、啟動模式、生物行為等。圖3是系統(tǒng)流程圖。

2．1 系統(tǒng)初始化
    機(jī)器人的初始化需要做兩部分工作，一是初始化每個(gè)伺服器的功能模式，并將每個(gè)伺服器切換到位置控制狀態(tài)；二是初始化機(jī)器人的初始動作，也就是初始狀態(tài)，將機(jī)器人復(fù)位。
2．1．1 伺服器初始化
    初始化伺服器的功能模式是因?yàn)锳X-12+具有多種功能，如果沒有將其初始化，它將記憶之前的設(shè)置，按照之前的設(shè)置模式完成此次控制，則AX-12+不會正確工作。AX-12+的每個(gè)功能對應(yīng)地址[ADDRESS]的固有號碼，可以通過選擇地址的方法來控制各個(gè)功能。例如：要設(shè)定AX-12+的位置控制狀態(tài)，首先要選定所要設(shè)置伺服器的ID。ID=1的伺服器，令address=8，則進(jìn)入其運(yùn)轉(zhuǎn)模式更改，設(shè)置mode變量，mode只有兩種狀態(tài)：mode=0是無線旋轉(zhuǎn)模式，mode=1 023是正常位置控制狀態(tài)。此處設(shè)計(jì)所用的18個(gè)伺服器被用作蜘蛛機(jī)器人的6足，其位置控制狀態(tài)應(yīng)該設(shè)置為mode=1 023，且每一個(gè)伺服器都要初始化為此狀態(tài)。
2．1．2 動作初始化
    動作初始化部分相對較簡單，但要建立在伺服器初始化之后，方能進(jìn)行。原理上是將每個(gè)伺服器旋轉(zhuǎn)角度調(diào)整到一定的位置上，使之呈現(xiàn)一個(gè)定型姿態(tài)，作為機(jī)器人的待機(jī)動作。通過改變整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的全局變量play_motion來完成動作初始化，表1對該參數(shù)進(jìn)行了對照解說，再調(diào)用Load函數(shù)執(zhí)行該動作頁面來實(shí)現(xiàn)功能。

2．2 啟動模式
2．2．1 睡眠模式
    當(dāng)機(jī)器人電源開關(guān)開啟，進(jìn)行初始化之后，蜘蛛機(jī)器人進(jìn)入睡眠狀態(tài)。設(shè)計(jì)對睡眠模式的定義為：令機(jī)器人處于一個(gè)靜止姿勢，不做任何行為，等待被啟動。這里設(shè)定一個(gè)無限循環(huán)，當(dāng)判斷收到喚醒命令時(shí)，跳出循環(huán)，開啟定時(shí)器，執(zhí)行正常行為舉止后，通過定時(shí)器的超時(shí)機(jī)制，回到睡眠模式。定時(shí)器時(shí)間值的量化級為：輸入的值每0．125 s減1，即當(dāng)定時(shí)器設(shè)置為8，便是1 s，具體實(shí)現(xiàn)中設(shè)置定時(shí)器為240，即30 s的正常行為活動后回到睡眠模式。
2．2．2 聲音啟動
    在睡眠狀態(tài)中，采用兩種不同的方式：無線遙控模式和聲音啟動模式。對于聲音啟動模式，設(shè)定一個(gè)閾值，若采集的數(shù)據(jù)超過閾值時(shí)，則開始正常行為活動。閾值的選擇根據(jù)傳感器AX-S1對聲音自定義的一個(gè)數(shù)量級，當(dāng)周圍沒有聲音輸出約為128的數(shù)值，聲音越大數(shù)值越接近255，聲音大小每秒輸入約為3 800次。當(dāng)檢測到像掌聲一樣一定大小以上的聲音時(shí)計(jì)一次數(shù)，為避免把一次擊掌誤認(rèn)為多次，在一次計(jì)數(shù)后，采用延時(shí)方式，約為80μs后繼續(xù)計(jì)數(shù)。
2．3 生物行為
    正常行為舉止：蜘蛛機(jī)器人的生物行為即自行通過傳感器采集數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，然后進(jìn)行處理的一個(gè)仿生過程。設(shè)計(jì)過程將該生物行為定義為正常行為舉止，即正常模式。該模式下，主要研究的是蜘蛛機(jī)器人對障礙物的判斷，通過AX-S1采集到的distance_u和distance _f兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行分析。當(dāng)上方障礙物所測距離distance_u≤20時(shí)，即認(rèn)為感應(yīng)到上方有障礙物，蜘蛛則產(chǎn)生坐下的動作。當(dāng)前方障礙物所測距離distance_f≤100時(shí)，再次檢測一下距離是否distance_f≤20，如果<20，則退后，向左轉(zhuǎn)，回到正常模式；如果>20，則采取攻擊，攻擊結(jié)束后，回到正常模式。值得注意的是，distance_u與distance_f所采集數(shù)據(jù)也不是實(shí)際的距離，也是通過量化后的數(shù)值。

3 結(jié)束語
    在自然界中，蜘蛛因其獨(dú)特的爬行機(jī)制可以在垂直的墻壁甚至倒立在天花板上行走。運(yùn)用仿生學(xué)原理設(shè)計(jì)制作的6足蜘蛛仿生機(jī)器人系統(tǒng)，可以完成行走、轉(zhuǎn)彎、攻擊、趴下等系列動作，并且具有較好的人機(jī)交互功能，使蜘蛛機(jī)器人達(dá)到了仿生的效果，為進(jìn)一步研究蜘蛛機(jī)器人在危險(xiǎn)環(huán)境中或艱難路況中作業(yè)提供了一個(gè)基礎(chǔ)測試平臺和設(shè)計(jì)方案。