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当MiniBibot身体全伸展，并且“卧倒”在地面时，其就形如一条可以伸缩蠕动的机器蛇， 如图6（a）所示。蠕动动作主要由躯体的4个T型关节实现，并由首尾两端的夹持模块协调地 或张开、或闭合来改变与地面的接触和摩擦，从而形成“首拉尾”和“尾推首”的蠕动。当夹 持模块张开时，可使得邻近的模块抬高，从而减小机器蛇本体与地面的接触和摩擦；反之亦 然。与一般的蛇形机器人相比，MiniBibot动作单一，但自由度少，结构和控制简单，并且具 备夹持功能，可为自己清理出前进道路。机器蛇具有细长型的躯干，易于通过狭窄空间，因此 适用于探测救灾等工作。 2.2 双足步行 当MiniBibot身体收缩，并以两夹持模块为支撑足而“站立”在地面时，其就成为一款六 自由度的双足机器人，见图6（b）。它可以扭转步态、翻转步态等多种步态[10]行走1。与其它 双足机器人不同的是，MiniBibot的两个夹持模块在行走时起着重要作用。一是通过张开夹持 1文献[10]中所研究的为本课题组开发的常规尺寸六自由度双足步行机器人。在上述两种步态中，它们的具体步骤相同，故此处 不详细列写。 模块形成一个足平面以支撑机器人，夹持模块张角越大，越容易保持零力矩点（Zero Moment Point, ZMP）在足平面内，也就越容易保证行走的稳定性；二是抬腿时通过闭合夹持器，协调 中间T型关节的运动来提升MiniBibot的重心，并挪动到支撑腿上。该种运动模式适用于上下小 台阶、跨过高而薄的障碍等。 2.3 码垛操作 实际上，MiniBibot可看作一条可移动的机器人操作臂。当其中一个夹持模块夹持在杆 件上或者张开而置于地面上时，MiniBibot就可执行与微型码垛相应的任务，如搬运小零件、 上下料等，见图6（c）所示。另外，MiniBibot作为机器人操作臂时，可方便地扩展为示教器 （如Joystick）实时遥控控制和操作。 2.4 攀爬杆件 攀爬杆件是MiniBibot开发的初衷，也是其强项。其双手爪结构，配以手臂状本体，使 它：（1）具有至少三种攀爬步态，包括尺蠖步态、扭转步态和翻转步态；（2）具备360°的全 方位运动能力，即其可在任意时刻向任意方向转向和运动；（3）良好的越障能力；（4）良好的 杆间过渡能力。 MiniBibot以尺蠖步态攀爬时，其模拟尺蠖一伸一缩的节律运动，配合手爪的开合，从而 实现前后攀爬；以扭转步态攀爬时，其将自身本体绕固定足扭转，从宏观来看，此时自由足画 过一道半圆或者半椭圆；以翻转步态攀爬时，其将自身本体如同“打千秋”一样，从固定足正 上方（被攀爬杆件的径向向外）翻转到另一边。表2列出了MiniBibot三种基本步态的主要特 征, 详细的攀爬步骤请参考文献[7, 11]。 表2 三种基本步态的主要特征 Tab.2 Main parameters of basic gaits 攀爬步态尺蠖步态扭转步态翻转步态 关键关节T型I型T型 步距smax 104mm 187mm 187mm 所需空间小，二维中，三维大，二维 越障能力一般好优秀 全方位运动能力无有无 手爪前后次序保持交替交替 模仿生物行为是否否 2.5 单杠回环 MiniBibot还可在单杠上进行屈体、大回环等等表演。进行大回环表演时，MiniBibot利用 其中一个夹持模块虚握住单杠，通过躯体中部T型关节的运动来快速摆动身体，从而进行自激 震荡，不断增加自身能量，直至将身体从单杠正上方越过。实际上，该问题与五连杆倒立摆的 激励相如出一辙，是一个多变量的耦合问题。但由于MiniBibot特殊的构型和结构，使其一些 关节模块可以与运动员的一些关节互相对应，因此可以简单地从拟人的角度来处理，使问题大 大简化。 3 实验验证（Experiment demonstration） 为了验证所提机器人系统的可行性和有效性，对研制出来的MiniBibot进行了一系列的实 验和测试。 图7 蛇形匍匐 Fig.7 Crawling like a snake 如图7所示，MiniBibot模拟蛇在地面上匍匐前进。其先张开尾部夹持器以减小尾部摩擦 （为“首拉尾”作准备），然后收缩躯体，再收拢尾部、张开首部夹持器来增大尾部、减小首部 摩擦（为“尾推首”作准备），最后伸展躯体。从而完成一个蛇形匍匐步态。 1 4 图8 双足步行 Fig.8 Bipedal walking 图8所示为MiniBibot以扭转步态向其右侧横移的步行过程。它通过闭合摆动腿的夹持模 块、收缩躯体等动作来将重心挪动到支撑腿上，然后抬起摆动腿，由支撑腿上的I型关节旋 转180◦而使身体从支撑腿的左侧转移到右侧，再将摆动腿放下成两夹持模块支撑状。至此便完 成了一个扭转步行步态。 1 2 3 4 图9 从地面自行过渡到单杠 Fig.9 Transit to a horizontal bar from the ground 而图9所示则为MiniBibot从地面自行过渡到单杠上的过程，可视为码垛操作功能的一种体 现。图中，它先将自己的一端举起（图8抬腿动作的延伸），调整姿态将夹持模块对准单杠的一 根钢管，可靠夹持后便以翻转步态上杆。 图10 尺蠖步态爬杆 Fig.10 Climbing up with the inchworm gait 图11 扭转步态爬杆 Fig.11 Climbing up with the turning-around gait Fig.12 Transit to another pipe with the turning-over gait 由图10-12可见，MiniBibot可以三种步态轻松自由地在桁架间进行攀爬和过渡，动作敏 捷、有力。经实际测试，其以扭转步态攀爬竖直杆时，速度可达4:7m=min，是一款性能良好 的小型移动平台。 1 5 9 图13 单杠大回环表演 MiniBibot矫健有力的关节，使其可以进行单杠大回环等表演，见图13。MiniBibot夹持 模块相当于运动员的手；而4个T型关节可分别对应运动员的肩关节、髋关节、膝关节和踝 关节。这样在摆起过程中，MiniBibot就可以简单地模仿单杠体操运动员的一些动作，如 “摆肩”、“屈髋”、“兜腿鞭打”等等。开始时，MiniBibot处于全伸展状态，自由倒挂于水平 杆件上。经过5个摆动循环即可完成一个大回环，整个机器人从单杠正上方越过，足以证 明MiniBibot的灵活和强健。 需要强调的是，以上五个实验为一次性完成，说明MiniBibot完全具备在这五种运动方式 间自由切换的能力。 4 结论(Conclusions) 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的环境地形有着更强的 适应性和更优越的移动能力。因此，赋予机器人多种运动方式是增强机器人移动性能的有效途 径之一。但多种运动方式通常会给机器人带来结构复杂、控制困难等问题，而巧妙的构型和结 构设计可大大减轻这些问题的影响。 本文所讨论的MiniBibot即是一款具备多种运动方式、结构独特、控制简单的小型双手爪 机器人。其基于仿生学和模块化方法设计，采用舵机驱动，可模拟蛇匍匐前进、可双足步行、 可执行码垛操作任务、可以三种步态攀爬桁架、可进行单杠大回环表演等。本文首先简要介绍 了MiniBibot的软硬件系统，然后分析了其具备的五种运动方式及各自的应用，最后通过一系 列的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。在下 一步工作中，可考虑引入各种传感器，赋予此类机器人一定的感知能力和智能，进一步提高对 环境的适应性。 学术论文网Tag：代写代发论文 计算机论文 代发论文 代写工科论文 职称论文发表 |
