一种独轮车式球形六足机器人结构设计

于楠 王文晴 黄芮 王禹心 李博远

摘  要：以Arduino UNO R3开发板为主控制板，研究一种独轮车式滚动的球形六足机器人的结构设计和控制平台。以球形形状为基础，结合独轮车滚动运动与六足机器人的结构和运动特点，设计球形六足机器人模型，同时适应多种复杂地形的变化。通过搭载样机对机器人的六足行走和自主滚动进行了实验研究，结果证明了机器人具有一定的承载、越障以及自主滚动且不发生倾覆的能力，具有稳定性强、灵活度高等优点，能够应用在多种复杂地形，例如山地、沙漠等。

关键词：机器人;球形;六足;滚动;独轮车式

中图分类号：TH128;TP24      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）18-0157-05

Abstract：Using Arduino UNO R3 development board as main control board，the project studies control platform and wheelbarrow-like rolling spherical hexapod robot structure design. Based on spherical shape and combined structures with movements of hexapod and wheelbarrow-like rolling，designing spherical hexapod robot model adapting to complex terrains. The six legged walking and autonomous rolling of the robot are studied by carrying a prototype. The results show that the robot has the ability of carrying，crossing obstacles and rolling autonomously without overturning. It has the advantages of strong stability and high flexibility，and can be applied to various complex terrain，such as mountains and deserts.

Keywords：robot;spherical;hexapod;rolling;wheelbarrow-like

0  引  言

生活中常常有科考隊、探险队进入沙漠地区，考察沙漠中生活的动植物、沙漠生态环境等等。在恶劣的环境中，需要寻找水源，拍摄沙漠动植物，探测周围环境的安全程度，这对人类是一大挑战。如果能用机器人代替一部分工作，将很大程度上降低这类工作的难度。目前可在沙漠中工作的机器人仍以六足机器人、履带机器人以及轮式机器人为主，在灵活度和速度上具有较大的进步空间。

六足机器人又称蜘蛛机器人[1]，是仿生机器人的一种。六足机器人的灵活性较高，相较于轮式和履带式机器人，在越障、爬坡等方面具有较为优秀的特性，特别适用于复杂环境，例如外太空探索、野外探测等;[2]但同时其也有运动效率较低的劣势。

球形机器人是指一类驱动系统位于球壳内部，通过内驱动方式实现球体运动的机器人[3]，其具有良好的动态和静态平衡性，目前是机器人领域的热点，所以其结构和控制策略产生了多种不同设计[4-6]。目前大多球形机器人的运动主要通过质心偏移和动量守恒定律来实现运动，例如，芬兰赫尔辛基科技大学的HALME等研制了小车驱动的机器人，通过改变机器人质心的位置来使其运动;美国特拉华大学的BHATTACHARYA等利用角动量守恒原理设计了一款球形机器人[7]。尽管应用这种原理设计的球形机器人较多，但这种运动方式不是最佳的，因为它依赖于运动部件，这可能会带来诸多问题，[8]所以目前寻找新的球形运动方式是一个研究趋势。球形机器人的应用从行星表面探索[9]到玩具工业[10]各不相同。

本文介绍了一种独轮车式球形六足机器人的结构设计，用球式结构弥补六足机器人的不足，其运动状态分为两种：在不平坦地带，以六足形态行走;在平坦地面，通过球体竖直方向的赤道面球壳滚动以带动整个球体前进。本设计为全国大学生创新创业大赛参赛项目成果，研究立足于沙漠环境，旨在为沙漠探测提供更现代化的手段。

1  球形六足机器人机械结构设计

1.1  机体结构设计

如图1所示，球形六足机器人主要是将球形滚动与足式运动结合起来，其目的是在不同地形情况下采用不同的运动方式，提高运动效率。球形六足机器人由三部分组成：主躯干、六足运动结构和球形滚动结构。

1.1.1  六足运动结构设计

目前六足机器人结构主要有两类：一种是左右对称，三条足为一组位于机体一侧;另一种是绕机体竖直轴线均匀分布[11]。综合考虑球形六足机器人的整体结构，足部设计选择后者。六足运动结构位于机器人球体的下半球，从机器人结构内部剥离后如图2所示。六条足由上下两块形状相同的板连接，并沿垂直于板的轴线均匀环绕，每相邻两足夹角为60°。其优点是可以选择任意方向为前进方向，机器人反应迅速;缺点是运动效率较低，但为了实现球形结构只能做出牺牲。两块板主要起到连接作用，所承担载荷较小。

绝大多数的六足机器人需要同时控制18个关节。[12]本设计的六足运动由18个舵机控制，分配到机器人的单条足通过3个舵机来控制每3个自由度。通过控制舵机的转角，以及六条足之间的相互配合，完成机器人的展开、前进、后退、转向、收回运动。

在六足运动状态时，六足结构需要承担整个机器人的质量以及运动过程中的冲击，在结构设计方面需要特殊设计，足部结构俯视图如图3所示[13]。舵机1与舵机2的转动平面相互垂直，选择铝制十字大U型连接件连接;舵机2与舵机3的转动平面重合，只需选择小U型连接件连接。足部最外侧部件由3个零件组成，包括2个足部板和中間支撑壳。这一部件直接支撑机器人运动、与地面接触受到摩擦力，必须保证一定的刚度、强度和耐磨性，以免在运动过程中发生变形甚至断裂，降低机器人使用寿命，所以两侧的足部板件选择亚克力材料，再通过中间的支撑壳进一步提高刚度强度，提高运动稳定性。足部板件的圆弧以及中间支撑壳的曲率设计保证了足部收回到球形机器人内部后还可以保证球形形状的完整。

1.1.2  球形滚动结构设计

球形机器人的滚动控制应用最多的是电机带动偏心轮在机器人内部转动，改变机器人重心位置实现滚动，该方式应用在球形六足机器人中就出现了很多问题。首先机器人增加了六足运动结构使得剩余空间不足。除此之外，添加偏心轮会大大增加机器人的整体质量，需要选用负载更大的舵机，舵机体积增大，剩余空间进一步减小。最后六足运动部分的舵机带来了大量的线路，在偏心轮转动过程中很容易造成线路的断路与短路。为了平衡球形滚动结构与六足运动结构的关系，最终选择了“独轮车式”滚动控制设计，优点在于装置质量较小，结构简单，所占空间小[7]。

球形滚动结构如图4所示，其整体为一组内齿轮结构，电机驱动安装在顶部支撑板的主动齿轮，主动齿轮与内齿轮圈的内齿啮合带动内齿轮圈转动。内齿轮圈外圈充当机器人赤道面上的球壳，通过与地面的摩擦带动整个机器人的转动。其他两个从动齿轮固定在中间层的支撑板上，同样与内齿轮圈啮合，消除内齿轮圈在竖直平面内x方向的自由度。固定在六足部分下板的摩擦轮与主动齿轮共同限制竖直平面内z方向的自由度，防止在机器人滚动时球壳的变形导致内齿轮圈错位。本组齿轮属于开式内齿轮啮合，选用固体润滑脂减小运动过程中的摩擦。

机器人滚动是通过“独轮式”实现的，地面所提供的支持面较小，机体很容易发生侧翻。防止左右侧翻需要严格保证机器人质量沿大齿轮所在赤道面对称分布;防止前后侧翻，可考虑不倒翁原理，保证机器人重心位于下半球，通过下半球质量较重的六足运动结构可满足该需求。

1.1.3  主躯干设计

球形结构躯体的作用如下：

（1）为滚动运动提供外形球形状态;

（2）连接六足与滚动两个运动模块，同时提供承载作用;

（3）为控制元件提供承载平台。

主要部件包括外壳球形以及横于球体内部的两块支撑板。外壳的球形结构需要满足滚动时的承载和运动需求，方便安装、质量不能过大。所以在设计上，给外壳内壁添加经纬度上的筋，提高刚度和强度，防止运动过程中过度变形或碎裂;将外壳分割成若干零件，方便后续的安装;采用样机成本最低的进3D打印进行加工;同时为了减轻质量选择ABS材料。两块支撑板中下支撑板通过3个六角铜柱连接六足运动结构，滚动结构的3个小齿轮分别固定于两支撑板上，其余空间还为控制元件提供安装位置;支撑板是用亚克力板进行镂空处理制作，既满足负载需求，还预留了安装口，减轻了质量。

1.2  模式转换

六足部分的展开与收回运动是六足运动状态与滚动运动状态转换的分界线[14]。六足部分的展开运动使机器人由球形状态转换为六足状态，通过程序控制相间隔的三条足最外层的舵机转角，使最外侧部件相对于机体展开一定角度，同时控制中间层舵机转动，实现落地支撑，起到稳定作用;再放下另三条足，完成展开任务。

收回运动使机器人形态由六足状态转换为球形状态，与展开不同，收回之前机器人在通过六足行走运动，当停止运动后，每个足所处位置不能满足直接收回要求，需要先让六足复位到展开后所处的初始位置，再抬起三条足，收回到球壳内，剩余三条足先缓慢的使球壳底部着地，最后收回到球壳内。该运动同样由中间层和最外层舵机配合完成。考虑到舵机控制精度，在结构设计上通过腿部零件内侧的特殊内凹曲线，与中层支撑板外轮廓契合形成限位，从而保证机器人收回成一个完整球体。同时由于机器人的大部分质量集中在下半球，使得其重心较低，在展开与收拢的运动过程中保证了机器人的平稳性。机器人展开状态与收拢状态如图5所示。

1.3  建立模型

本设计利用三维软件SOLIDWORKS进行实体的造型设计，对球形六足机器人进行了三维结构设计并确定各零件尺寸，且确定了安装的相对位置，通过三维软件约束命令进行装配。这样的设计方法，方便在后续的实验中对模型数据进行修改和优化。在完成球形六足机器人的装配后，可以通过改变部件的相对位置，来检查干涉情况，避免零件干涉;还可获取六足运动状态的角度，为后面的控制提供数据支持。目前的部分加工手段和加工厂商都可以实现三维零件图纸的直接加工，大大提高了加工制造效率。

2  球形六足机器人控制系统总体设计

球形六足机器人控制系统构成包括：电源模块、富斯i6遥控器、Arduino UNO R3开发板、驱动板模块、舵机、360°旋转舵机[15，16]。其硬件设计框架如图6所示。遥控器发射机使用三个通道，分别控制运动方向和形状，接收机采用PPM协议，由Arduino主控板将PPM信号解码为通道量，进行机器人控制。驱动板包括继电器驱动电路和舵机驱动电路，继电器驱动电路由数字脉冲控制生成序列驱动信号，对电机驱动电路进行间隔供电，以避免供电电流过高导致驱动板过热。机器人控制部分通过下部18路舵机和上部1个可360°旋转的舵机实现其正常运动，下部舵机分6组，机器人的每条足装有3组舵机，通过定时器产生PWM信号，驱动舵机转动不同的角度，实现机器人每个关节的转动，进而实现机器人的六足行走。通过主控板上的电机驱动模块，控制上部可360°旋转的舵机的转速和转向，采用不同的转速、转向配合，实现机器人的滚动。

3  实验验证及初步成果

为了验证结构设计的可行性，制作了一台样机进行测试并取得了一些初步成果。样机根据所建三维模型进行1：1搭建，外壳用横纵加筋的ABS材料;六足部分的足部用亚克力材料，舵机间的连接件和上部舵机支承件选用铝合金，承重的板和外圈用尼龙材料，既减重减震又有一定的强度和形状稳定性，并在外圈贴橡胶以防滑;与大齒轮啮合的三个小齿轮中，直接从舵机输出动力的小齿轮选用四个玻纤板拼接，保证其承载强度;其他两个从动小齿轮用与外圈相同的尼龙材质，底部的小滚轮用橡胶材质。样机球壳最大直径300 mm，总重3.5 kg，其中六足部分重约1.68 kg。滚动部分小齿轮齿数z=17，模数m=3，厚度20 mm，齿轮传动比5：1。当六足全部支撑地面时，球壳外圈距离地面25.5 mm高。图7为除去球型结构躯体的样机内部结构图。

本实验为阶段性验证，首先单独测试了六足部分的承重与越障行走情况。如图8所示，单独的六足部分行走除自身重量外，承受外载荷的临界值为重约1.5 kg的重量，足够支承整个球壳行走。如图9所示，六足部分成功跨越厚度约为30 mm的一个笔记本，具有一定的越障能力。

在六足与滚动部分装配结合后进行了滚动部分的试验，为随时检查设备的工作状况，实验时没有将外壳完全装配，但不影响试验效果。通过试验可以看出滚动部分工作正常，球体内部结构由于结构形式及运动方式的设计会随着外圈的滚动相对其做不倒翁式的摇摆运动，图10（a）为内部结构超前于外圈而相对前倾的临界状态，图10（b）为内部结构落后于外圈而相对后仰的临界状态。但由于重心始终在下，机器人不会翻倒。

通过实验结果测算，可以得到样机信息如表1所示，可以看出，机器人六足运动速度慢于滚动速度，将六足与滚动相结合可以很好地提升机器人的运动效率。

4  结  论

本文提出了一种独轮车式的球形六足机器人，该机器人具有将自主滚动和六足行走结合的创新点。采用SOLIDWORKS三维软件进行建模，设计了机器人的六足结构、六足步态、滚动装置、主躯体以及控制系统。利用Arduino编程，设置腿部的初始角度，根据六足步态设置转动角度和次序，根据所需的滚动速度设置滚动装置电机的转速。最后对机器人的六足行走和自主滚动进行了实验研究，结果证明了机器人的六足部分具有一定的承载能力、越障能力以及自主滚动且不发生倾覆的能力。

球形六足机器人的自主滚动和六足行走的两种运动方式相结合使机器人具有稳定性强、灵活度高等优点，能够应用在多种复杂地形，例如山地、沙漠等。

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作者简介：于楠（1999-），女，汉族，黑龙江哈尔滨人，本科，研究方向：航空宇航制造工程。