时间:2024-05-04
陈信华 殷建 王梦波 黄健
摘要:该文设计了一款能够实现探测、侦察、定位、救援等复杂功能的仿生探索机器人,其以自然界生物蝎子的运动形态为参照,能够实现自主行走、避障和夹取货物等功能。该装置运用Arduino单片机来作为控制核心进行仿生探索机器人的自主控制,通过样机的实验验证,该装置能有效完成特定的探索救援任务,是一款多功能的探索机器人装置。
关键词:仿生探索机器人;Arduino单片机;自主控制
中图分类号:TP311 文献标识码:A
文章编号:1009-3044(2022)25-0067-03
开放科学(资源服务) 标识码(OSID) :
1 引言
随着机器人技术的发展,各类形态的仿生机器人也层出不穷,它们能在一定程度上模仿动物运动形态来完成某些特定任务。仿生探索机器人除了具有一般机器人的功能外,还能进行救援、探测等复杂功能[1-2]。针对仿生探索机器人的研究已成为一个热点问题,众多学者设计并不断扩展其功能,增加其实用性[3]。基于此,本文设计了一款模仿蝎子运动形态的仿生救援机器人,其采用Arduino单片机来作为控制单元,以舵机、连杆、丝杆、尾巴、钳子、壳体等功能性结构组成的机器人可灵活实现预期的探索、救援、图像传输以及自主避障功能。
仿生探索机器人是具有自主决策和运动能力的仿生机构[4]。随着科学技术的发展,仿生探索机器人广泛应用于工业制造、军事制导、海洋勘探、月球探测、民用等方面[5-6]。其在人类社会生产生活中的作用越来越大,尤其在一些特殊领域,更是发挥着巨大的价值。如在一些中小煤矿及铜矿采选中,其检测设备相对落后,存在发生危险的情况[7]。仿生探索机器人可以很好地代替人员来完成现场的侦察救援工作,可以通过通信服务实时传输灾害现场情况,同时可以将紧急救援物资如药物等第一时间送达现场。在一些自然灾害如地震环境下,包括仿生探索机器人在类的各类机器人都有较高的应用价值,所以对其展开设计研究是十分有价值的。
2 总体设计及创新点
本设计主要分为硬件和软件两部分,硬件部分是由Arduino控制板、视觉传感器、距离传感器、空气质量监测传感器、GPS定位模块、Wi-Fi模块、机械丝杆抓手以及3D打印零部件构成;软件部分是由硬件功能程序和软件设计程序构成。具体设计思路如图1所示。
该系统采用Arduino Mega 2560开发板来作为控制器,通过串口通信方式将各个传感器连接到Arduino单片机用于信息传输。同时利用Open MV进行视觉识别,利用ESP32 Wi-Fi模块,进行图像实时传输,这样能够更好地了解到设计作品工作周围的环境。该仿生探索机器人能实现自主行走、抓取或采集物品、识别物体、定位作用,同时还能识别空气质量,材料上采用轻质材料减轻重量,在保证效率的情况下尽可能减小体积。
该设计存在以下三个创新点:
(1) 拥有18个自由度,能够模仿多种不同的步态实现跨越、攀爬等动作,具有较高的灵活性。
(2) 实现了多种机构配合工作,通过使用不同末端执行器配合工作能够完成复杂任务,且保证产品具有较精确的动作。
(3) 产品应用了机器人视觉,实现了对物体的识别并且利用Wi-Fi远程数据传输,实时对产品周围环境进行监控,大大提高了产品工作时的准确性和可靠性。
3 机械结构设计
仿生探索机器人的机械结构主要由机体、行走机构、尾部机构以及前端夹爪机构等部分组成。其中机体作为主要的承载单元,用于放置控制器Arduino 單片机、部分舵机以及电源等组件,采用中空及上下夹层的设计方式,结构紧凑灵活。另外三种运动机构模仿蝎子形态构建而成,三者相互协作,共同完成既定任务。
3.1 行走机构
探索机器人的行走机构是由六只独立的三关节仿生腿组成,各仿生腿在三个关节处安装有驱动舵机,能够实现腿部的三个自由度运动,用于控制腿部摆动及行走功能。其柔性关节和足部结构的组成使探索机器人具有完整的运动范围,受力合理,结构灵活,可以在多地形地面行走。Arduino Mega 2560扩展版上的pwm引脚口控制三个270°舵机,腿根处舵机控制整个腿的前后运动,关节处舵机控制连杆上下运动,连杆处舵机控制脚尖左右运动。腿根处结构向前运动的同时关节和连杆处结构向上运动,然后通过在软件中编写相应的程序以实现六只腿分别按照不同的运动顺序运动,实现步态模拟,其设计结构如图2所示。
3.2 尾部机构
尾部机构的设计思路是将其安装在仿生探索机器人的尾部,并穿过机体将夹爪置于前方用于抓取货物。杆臂的设计方案可选用平面连杆机构和舵机机构两种,如图3所示。
对比两种机构发现,平面连杆机械臂采用连杆连接方式,优点是连接稳固,且抬起手臂更加轻松,缺点是转动时不够灵活,自由度较低。舵机机构是采用舵机作为关节连接点,优点是转动灵活、自由度高,缺点是抓取较重物体时,舵机驱动力不足,但是可以通过设计弹簧机构来增加其夹取的物体重量。综上选择舵机机构来作为探索机器人尾部的主要结构。
尾部机构的运动是由舵机进行驱动,支持尾部旋转、抬起和落下等功能。尾部夹爪采用3D打印并组装起来,其结构采用多爪连杆并联机构,能够实现多爪同步地闭合张开。夹爪跟丝杆和弹簧机构紧密配合,使得夹爪可以按照指令让其张开闭合,并配合弹簧机构将指定物体抓起来放置于特定位置。使用总线舵机控制板和Arduino mega2560进行硬串口通信,控制三个总线舵机实现尾巴的运动;尾巴夹爪使用Arduino mega2560 扩展版上的pwm引脚口控制360°舵机,利用丝杆正反转控制夹爪开合。丝杆和360°舵机用联轴器联接,舵机正转带动丝杆正转,滑块向外推进,进而使得夹爪张开,反之滑块向内推进夹爪收缩。
3.3 前端夹钳机构
探索机器人前端两侧安装有齿轮夹钳机构,通过Arduino mega2560 扩展版上的pwm引脚口控制270°舵机,来实现夹钳机构的闭合和转向功能。夹钳机构采用对称形式布置,可以实现两个钳子相互配合进行夹取。该设计方式可解决物体太大单个夹钳难以夹取的问题。270°舵机和钳子下叶连接,舵机旋转一定的角度,下叶和上叶通过齿轮传动实现开合。其结构如图4所示。
4 功能测试及调试
4.1 Open MV识别的准确率测试
作者前期在互联网和生活中搜集大量的图片,导入识别程序,通过对数据的分析得到识别准确率问题,并且找到识别不准确的物体特征,优化算法,针对识别的不准确的图片进行处理,以增加识别准确率。图像采集模块主要由Open MV摄像头通过串口通信连接Arduino单片机,传输采集颜色的对应参数,以便Arduino能够控制舵机转动,从而让仿生探索机器人夹起物体并移动。将Arduino和Open MV的程序写好之后,从Open MV发送测试信息到Arduino,在Arduino终端调试输出,查看能否接受信息,若能够接受信息,则正常;反之,修改程序,直至能够正常通信。
4.2 舵机测试
首先对探索机器人单腿舵机进行测试,通过调试程序使得单腿能够自由实现摆动和升降;然后调试多腿舵机使各腿部结构能够相互协调运动,实现行走步姿;最后调试尾部及夹爪舵机,用舵机和丝杆带动尾巴移动,通过控制舵机正反转实现物体的夹取和放下。
4.3 装配及调试
将设计好的零部件制造及3D打印出来,然后进行装配调试,其实物组装如图5所示。经过测试该仿生探索机器人能够很好地完成指定的行走及夹取任务,表明该设计方案合理,功能设计较完整。
5 总结
本文基于Arduino单片机,集成视觉、检测、定位等传感器模块设计了一款仿生探索机器人,用于在特定环境下完成救援、探测等任务。该机器人主要功能如下:
(1) 利用Open MV可以进行视觉识别,同时利用ESP32 Wi-Fi模块进行图像实时传输,能够更好地了解到产品工作周围环境。
(2) 通过各类传感器,根据产品具体的工作环境进行周围环境检测。如,通过气体传感器可以测量出二氧化碳、一氧化碳和甲烷气体含量,再通过远程数据传输实时监测。
(3) 整体结构利用18路舵機驱动产品运动,模仿蝎子的运动步态,同时本产品还配有可拆卸夹钳和尾巴,可以根据不同工作需求安装不同的末端执行器,结构灵活性大,适用性广泛。
(4) 利用GPS定位系统实时查看产品的位置,可以更加精确地掌握仿生机器人工作状态,防止仿生机器人出现意外情况。
参考文献:
[1] 张军豪,陈英龙,杨双喜,等.蛇形机器人:仿生机理、结构驱动和建模控制[J].机械工程学报,2022,58(7):75-92.
[2] 宫德健,章成,刘鹏,等.基于生物仿生的水下救援机器人功能结构研究[J].河南科技,2020,39(35):53-55.
[3] 郭文昕,秦伟伟,李铭昊,等.一种面向危险环境远程操作的仿人随动机器人[J].信息与控制,2021,50(2):174-183.
[4] 王颖,王硕.仿生机器人技术发展概况[J].高科技与产业化,2016(5):44-47.
[5] 崔新忠,常诚,缪新颖.仿生机器人的发展与应用研究[J].机器人技术与应用,2017(4):33-36.
[6] 朱万浩,章盼梅,孔令棚,等.水下仿生机器人设计与实现[J].机床与液压,2022,50(9):71-74.
[7] 李亚文,黄乐乐,张文奕.一种煤矿井下环境安全勘测仿生机器人的设计[J].微型电脑应用,2021,37(11):117-120.
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