仿生蜘蛛机器人的设计与实现

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。

1．3 感觉器官设计
设计蜘蛛机器人的感官系统时，如果每个感官对应一个传感器模块，那么对蜘蛛机器人关节活动便会增加许多牵绊与阻碍。于是，设计采用1个集超声测距传感器、声音检测传感器、亮度传感器、温度传感器和红外线接收器于一身的Robotis公司的DynamixelAX-S1模块来充当机器人的感官系统。并且AX-S1与AX-12+机器人专用伺服电机在通信方式上一致，以便于通信和控制器统一管理；在机械上结构相同，外观上也可以达到统一、美观。
1．4 本体结构
根据生物蜘蛛外形，设计总体结构为：以控制器作为身体部位，连接6足，将传感器模块作为头部。选取合适的连接件，最终拼装连接得到小型仿生蜘蛛机器人样机，如图2所示。

2 机器人行为设计
控制系统采用模块化设计，将整个工作流程划分为：系统初始化、启动模式、生物行为等。图3是系统流程图。

2．1 系统初始化
机器人的初始化需要做两部分工作，一是初始化每个伺服器的功能模式，并将每个伺服器切换到位置控制状态；二是初始化机器人的初始动作，也就是初始状态，将机器人复位。
2．1．1 伺服器初始化
初始化伺服器的功能模式是因为AX-12+具有多种功能，如果没有将其初始化，它将记忆之前的设置，按照之前的设置模式完成此次控制，则AX-12+不会正确工作。AX-12+的每个功能对应地址[ADDRESS]的固有号码，可以通过选择地址的方法来控制各个功能。例如：要设定AX-12+的位置控制状态，首先要选定所要设置伺服器的ID。ID=1的伺服器，令address=8，则进入其运转模式更改，设置mode变量，mode只有两种状态：mode=0是无线旋转模式，mode=1 023是正常位置控制状态。此处设计所用的18个伺服器被用作蜘蛛机器人的6足，其位置控制状态应该设置为mode=1 023，且每一个伺服器都要初始化为此状态。