具有多种运动方式的小型模块化双手爪
机器人
朱海飞，管贻生，蔡传武，李湛初
华南理工大学机械与汽车工程学院，广东省，广州市邮编；510641
摘要：基于仿生学和模块化方法，设计了一款新型的舵机驱动的具有多种运动方式的小型双手
爪机器人。受尺蠖、黑猩猩、树懒等动物攀爬动作的启发，设计和搭建了机器人的软硬件系
统；然后根据该机器人的构型特征，提出了五种可实现的运动方式，并分析其应用；最后通过
一系列实验，充分展示和验证了所提出的双手爪机器人系统及其运动方式的有效性和可行性。
关键词：多种运动方式；双手爪机器人；模块化机器人；仿生机器人
中图分类号： 分类号
 0 引言
在过去的二三十年时间里，机器人被广泛应用于各种高危险、高难度、高强度工作领域，
从而把人们由这些“三高”任务中解脱出来。但由于人类环境的复杂性，机器人的移动性能和
操作性能对于其应用范围有着决定性的影响。因此，国内外学者一直致力于提高和改善机器人
的这两大性能，不断推广和扩大机器人的应用。
基金项目： 国家科技部高技术研究发展(863)计划（2009AA04Z204）；国家自然科学基金支持项目（50975089）；高等学校
博士学科点专项科研基金资助课题（200805611091）；中央高校基本科研费（2009ZZ0006）
作者简介： 朱海飞（1985 {），男，博士生，研究领域：模块化仿生攀爬机器人，避障运动规划。通信作者：管贻生（1966
{），男，博士，教授，博士生导师，研究领域：攀爬机器人，模块化机器人，检测机器人。
 机器人采用何种运动方式是决定其移动性能的主要因素。虽然机器人发展至今，已实现了
轮式、履带式、腿足式，甚至混合式（前三者之间的两两组合）等运动方式。但是一款机器人
通常仅具备一种运动方式，且针对专门的使用环境开发，缺乏对人类环境的普遍适应性。而纵
观我们人类自身，我们可以根据不同的环境，或双足前行，或侧身横移，或四肢爬行，或卧倒
匍匐，甚至可以像猿猴一样攀爬等等，可谓运动方式多种多样，因此对自然界有着最强的适应
性。由此观之，将多种运动方式集合到一款机器人，是提高其移动性能的有效途径之一。
仿人机器人便是该思路的最好佐证。日本国立产业技术综合研究所（AIST）的Kanehiro等
人研究了HRP-2采用何种运动方式通过狭窄空间的问题[1]，规划出包括匍匐（Crawl），跪行
（Squat），横移（Side），摆肩行走（Twist）以及正常行走（Normal）五种运动方式。日本名
古屋大学的Fukuda等则开发了一款具有多种运动方式的仿类人猿机器人Gorilla Robot III[2, 3]，
其可以双足步行、四足行走、攀爬竖梯、臂越攀爬等。而国内北京理工大学段星光等人则开
发了一款轮-履-足混合的移动机器人MOBIT[4, 5]，并研究了在各种运动方式下的建模和控制问
题。中国科学院沈阳自动化研究所的唐元贵等人也对轮浆腿驱动的两栖机器人进行了探索研
究[6]。从前人的探索来看，与单一运动方式的机器人相比，具备多种运动方式的机器人对不同
环境地形的适应性大大提高，移动性能更强。此外，目前已存在的移动机器人中，除仿人机器
人以外，大多数并不具备操作功能。而为了执行某项操作任务，必须额外地为移动机器人开发
专门的操作设备。
本文所研究的小型模块化双手爪机器人MiniBibot，正是一款具备多种运动方式，同时集
成了操作功能的，主要为攀爬桁架而开发的机器人系统。其可作为探测、检查、维修等任务中
小型测试设备的移动载体。
1 机器人系统开发（Development of the robotic system）
1.1 设计方法
如前所述，MiniBibot主要是为攀爬桁架而开发的，设计时主要运用了仿生学和模块化方
法[7]。
关节
模块
功能
模块
手爪
手爪
躯体
图1 尺蠖及其等效机构模型
Fig.1 An inchworm and its mechanical model
 简而言之，仿生学就是通过机电系统或者软件系统模拟自然界中某种动物（或其群体）的
某些优异特征，从而赋予所设计的系统类似优点的研究方法。MiniBibot的设计灵感来源于一
种攀爬动物――尺蠖，其通过两个手爪配合躯体一伸一缩的节律运动来攀爬前进。如图1 所示，
尺蠖的柔软躯体，在机电系统上可以近似为若干自由度（关节）的组合，而尺蠖头尾两端的吸
盘阵列，则可以通过夹持器或者吸盘来等效。如此，我们便可以设计出一款仿尺蠖的双手爪攀
爬机器人系统。
模块化则是近年来比较盛行的一种设计方法。其将功能相同的部件设计成独立、统一的标
准模块，通过若干模块的有机组合即可以构成完整的机器人系统。与传统设计方法相比，模块
化方法的优点包括：具备良好的适应性、可重构性、可扩展性和容错性；降低开发和制造成
本；易于替换和维修等等。
1.2 硬件系统
在文献[7]中，我们曾介绍了MiniBibot的第一代实验样机。该原型机笨重但刚度不足，模
块输出力矩有限，控制也不便，因此未能实现全部的规划动作。在本文中，我们主要介绍其第
二代。
1.2.1 基本模块
从图1 可知，MiniBibot可分解为一系列的关节模块和夹持器模块。关节模块可分为两种，
均只有一个自由度，分别称为I型和T型关节，如图2 所示。I型关节的关节转轴与模块本身中
心线重合或平行，其实现的功能如人类手臂前部的回转动作；而T型关节的关节转轴与模块本
身中心线垂直，其实现的功能如人类腕关节或肘关节的摆转动作。夹持器模块，也称为G模块，
实际上是机器人的末端执行机构，采用两个参数一样的齿轮来实现双边同时开合。
由于MiniBibot的主要任务是攀爬桁架，对重力敏感，所以各模块必须在尽可能轻的情况
下，获得较大的输出力矩。我们采用韩国Robotis公司的AX-12+舵机[8]作为驱动单元，并且框
架结构均采用工程塑料加工而成。各基本模块的主要参数如表1 所示。
固定端
输出端
(a) I型关节
输出端
固定端
(b) T型关节(c) 夹持模块
图2 三种基本模块
Fig.2 Three basic modules
 表1 各模块主要参数
Tab.1 Main parameters of modules
模块尺寸重量输出力矩转动范围
(mm3) (g) (N:m) (◦)
I型关节50  34  44 80 1.62 180
T型关节68  32  50 85 1.62 150
夹持器60  57  68 125 - 0 s 120
1.2.2 模块组合
采用上述三种基本模块，我们便可以构建出一款模块化双手爪机器人，见图3 。中间
由4个关节转轴互相平行的T型关节串接，而后在两端各接1个I型关节，再在两个末端分别连接
一个夹持器模块。其构型如公式（1）所示：
G2
G1 I 1 T1
T2
T3
I T4 2
图3 MiniBibot及其机构简图
Fig.3 MiniBibot and its kinematic model
G1 − I1 ⊥ T1 ∥ T2 ∥ T3 ∥ T4 ⊥ I2 − G2 (1)
式中，G表示夹持器模块，I表示I型关节模块，T表示T型关节模块，⊥和∥分别表示相邻的两
关节模块转轴之间的垂直和平行关系。MiniBibot采用4个T型关节，主要是为了保持首尾对称
结构，从而简化控制问题（可以避免频繁求解正逆运动学），也是具有多种运动方式的关键。
MiniBibot重约750g，全伸展时尺寸为490mm × 65mm × 60mm。
1.2.3 控制系统
MiniBibot所采用的控制系统如图4所示，为三层分布式架构。位于底层的是舵机单元，都
通过TTL(Transister-Transister-Logic,晶体管-晶体管逻辑电路，采用半双工通用异步接收/发
送协议进行通讯)串接，每个舵机由唯一的ID标识；上层采用个人电脑作为上位机，主要负
责人机交互、步态规划等工作；中间是协议转换层，采用Robotis公司的USB2Dynamixel来进
行USB-TTL通讯，起着上传下发的桥梁作用。这种分布式的架构便于改变机器人的构型，方
便增减模块数目，因而非常适合于模块化机器人平台。
 供电
PC USB2Dynamixel Dynamixels
图4 控制系统硬件架构
Fig.4 The architecture of the hardware control system
1.3 软件系统
由于采用了USB2Dynamixel作为协议转换模块，因此我们可直接调用其提供的API(Application
Programming Interface)函数来控制舵机，其原理[9]见图5(a)。我们只需专注于开发基于API函
数的用户程序即可。而图5(b)所示则为MiniBibot的软件系统架构，也为三层结构。其基本
思想可简要概括为：（1）将MiniBibot常用的基本动作写为各种函数，组成动作函数库；（2）
动作函数所对应的关键位姿的关节角度、速度矩阵，通过示教获取并保存；（3）执行动作
时，直接调用动作函数，给定关节角度和速度矩阵即可。机器人可根据需要而初始化至各种
运动方式，并随时切换；每种工作模式下，都有相应的步态调试、错误监控等功能。目前，
MiniBibot主要以示教-再现的方式来实现运动控制。考虑到示教时存储、变换的都是角度、速
度矩阵，因此基于MATLAB的GUI开发了用户程序。
 (a) API处理流程
公共底层
攀
爬
模
式
尺
蠖
步
态
翻
转
步
态
扭
转
步
态
杆
间
过
渡
步
行
模
式
匍
匐
模
式
码
垛
模
式
回
环
模
式
工作模式
匍
匐
步
态
扭
转
步
态
翻
转
步
态
屈
体
大
回
环
机
械
臂
动作函数库错误监控显示输出基本设置
基本步态和关键动作的关节角度位置、速度矩阵
(b) MiniBibot软件系统架构
图5 软件系统架构
Fig.5 The architecture of the software control system
 2 多种运动方式（Multi-locomotion）
MiniBibot独特而对称的构型，赋予了它以多种方式运动的能力。且在不同的运动方式间
切换时，无需改变其构型或者配置，只需要从软件方面对舵机的运动模式（角度控制模式和速
度控制模式）进行相应的更改。
前进方向
(a) 蛇形匍匐(b) 双足步行
(c) 码垛操作(d) 攀爬杆件(e) 单杠回环
图6 五种基本运动方式
Fig.6 Five basic movement modes
2.1 蛇形匍匐
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