□ 熊金刚 □肖志强 口 刘光挺 口 戴展华 □郭建 口 麦杨杰
华南理工大学广州学院 机械工程学院 广州 510800
摘 要：依据多足昆虫的身体结构和运动特性，谏计出蜘蛛机器人的本体结构。遵循结构仿生和功
能仿生原则，基于虚拟样机技术，应用SolidWorks 软件建立蜘蛛机器人的仿真模型，并结合ADAMS 对 蜘蛛机器人的直线行走步态和定点转弯步态进行联合仿真，得出其运动步态控制舵机的运动角度，进而 验证结构设计的合理性和运动步态的稳定性。所做研究为蜘蛛机器人的实物制作提供了理论基础。
关键词：机器人结构设计运动仿真
中图分类号:TH122；TP242 文献标志码：A 文章编号:1000-4998(2019)01-0007-05
Abstract : According to the body structure and motion state of the multi -footed insects , the body
structure of the spider robot was designed. Following the principle of structural bionics and functional
bionics, based on virtual prototyping technology , the simulation model of spider robot was established by
using SolidWorks software , and the parallel gait and fixed-point turning gait of the spider robot were jointly simulated in combination with Simulink software to work out the motion angle of the steering gear that
controlled the motion gait for further verification of the rationality of the structural design and the stability of the motion gait. The study provides a theoretical basis for the physical production of spider robot.
Key Words : Robot Structure Design Motion Simulation
1研究背景
自然界中，六足昆虫种类繁多，本领高强，其身体
结构与运动步态对于仿生机器人科学研究人员而言， 具有重要的研究意义与价值[□]，常常成为研究对象。 最近几年来，随着昆虫仿生学理论与计算机技术的飞
速发展，对于多足仿生机器人的研究成为关注的焦 点⑶。经过査阅相关文献资料，发现国内外在多足仿生
si69机器人方面都有一定的研究，初步实现了机器人的行 走，但仍存在体型较大、行走过于机械、难以灵活完成
复杂仿生运动过程等问题⑷，同时缺少对蜘蛛机器人 运动过程的研究。
基于以上情况，笔者提出采用舵机控制蜘蛛机器 人，在减轻蜘蛛机器人自身质量的同时，降低控制难 度，从而提高机械结构的灵活性、可控性和稳定性。对
于蜘蛛机器人的机械结构，依照多足昆虫模型进行仿
生设计。根据多足昆虫的行走方式，进行仿真运动学 研究，规划和计算腿部运动的轨迹，进而控制蜘蛛机器
人的行走过程⑸。
*广东省大学生创新创业训练项目（编号:JY170612）； 广东省大学生科技创新培育专项（编号:pdjh2017a0960） 收稿日期：2018年7月
2结构设计
由图1可以看出，蜘蛛机器人由仿照蜘蛛腿部设 计的六个腿部结构和本体组成。遵从蜘蛛身体的结构 特点，同时考虑蜘蛛机器人在运动过程中的干涉问题，
将机器人的本体设计为两边对称的椭圆形状，在结构 上充分达到仿生的效果。
图2所示为蜘蛛机器人的腿部结构。在外形、结 构、自由度等方面充分遵从仿生原则的基础上，蜘蛛机
▲图1蜘蛛机器人结构
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卫
器人的结构依据多足昆虫三个自由度进行设计，分为 腰关节、競关节、膝关节，通过控制舵机转动来实现关
节动作。一号舵机固定在本体上，实现腰关节的前后摆 动。U 形架与腰关节连接，通过二号舵机和大腿连接
件仿照多足昆虫的腕关节，并通过控制二号舵机完成 髓关节的上下摆动。两块直角固定块固定在U 形支架
上，小腿固定在这两块直角固定块之间，与三号舵机一
起仿照多足昆虫的膝关节，通过控制三号舵机模仿蜘 蛛的踢腿动作。小腿末端与地面接触，考虑到可能与地
面产生打滑现象，在末端处套上橡胶套，以增大与地面
的摩擦力，减少打滑现象。3腿部结构的分布
如果单纯按照生物界中蜘蛛腿部在身体上的生理
分布情况来安排六条腿在蜘蛛机器人本体上的分布情 况，那么将会在蜘蛛机器人运动过程中与后期控制时 带来不必要的麻烦⑹。在仿生足式机器人中，腿部结构
分布主要有两种，一种是如图3所示的圆周分布，另一
种是如图4所示的对称分布。就这两种腿部结构分布 情况作对比，结果见表l o
通过对两种腿部结构分布情况的分析对比，结合 两者分布特点进行优化设计，得出如图5所示的蜘蛛 机器人腿部结构分布方式。这一分布方式的最大特点
是结合了圆周分布转动空间大、稳定性好，以及对称分 布相对地面滑移量较小的优点，具体方案是将蜘蛛机
表1腿部结构分布情况对比
分布情况优点缺点
圆周分布在转弯步态时，稳 定性好，转动角度大在直线行走时，每条腿转动的角度 各不相同，从而降低行走时的精度
对称分布
减少与地面的相 对滑移，稳定性好每条腿转动空间小，发生干涉的可 能性大，后期控制难度高
器人的六条机械腿
相对于本体呈圆周 分布，分布于本体
面上最大面积圆内 切六边形的六个顶
点上O 这一分布方 式不仅可以保证两
条机械腿间有足够
的运动空间，而且 还能满足相邻两条 机械腿在不产生干
涉的情况下达到运动最大值，在避免运动过程中出现
两条腿干涉的同时，降低了运动控制的难度⑺。
4运动步态分析与仿真
4.1 直线行走步态
这一蜘蛛机器人直线行走采用三角步态，三角步
态是多足昆虫最常见的一种行走步态⑻。蜘蛛机器人
在直线行走时，不是所有的腿都在前进，而是六条腿分
成A 、B 两组，前部左右两条腿和后部中间一条腿为A 组，后部左右两条腿和前部中间一条腿为B 组。这样 在直线行走过程中，三条腿组成三角支架形状，提高直 线行走时的稳定性。蜘蛛机器人直线行走时有两种情
况，一种是A 组先行，B 组着地，另一种是B 组先行，A 组着地。以A 组先行为例.蜘蛛机器人直线行走步态
过程如图6所示。
第一阶段时，摆动腿和支撑腿起支撑作用，A 、B 两
组腿着地，蜘蛛机器人直立。第二阶段时，A 组摆动腿
摆动，B 组支撑腿旋转，使整个蜘蛛机器人向前移动半 个周期的步长。第三阶段时，B 组摆动腿摆起，A 组支
撑腿旋转，使整个蜘蛛机器人向前移动半个周期的步 长。第四阶段时,A 组腿着地，B 组也收腿着地，调整蜘
蛛机器人的质心，完成一个步态周期。
通过SolidWorks 软件建立蜘蛛机器人模型，导入
ADAMS 软件进行仿真分析，初步确定单个行走步态舵
机的转角，转化为仿真软件的驱动函数，分别给两组中 的每条腿添加驱动函数，进行仿真测试参数设定，得出
指纹认证
舵机的转角变化曲线。蜘蛛机器人直线行走步态过程
仿真如图7所示，A 、B 两组一至三号舵机转角变化曲 线如图8、图9所示。
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曲占
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丝网除沫器安装
时间/s (a) 一号舵机
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(c)第三阶段
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(b)第二阶段
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金属圆锯片A1
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10时间/s (b)二号舵机
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10 20 时间/s (c)三号舵机
▲图6蜘蛛机器人直线行走步态过程
克!!广
1tsf过载保护
▲图7蜘蛛机器人直线行走步态过程仿真
▲图8直线行走步态A 组舵机转角变化曲线
(a) 一号舵机
4.2 定点转弯步态
蜘蛛机器人在很多情况下不只是单纯进行直线运 动，转弯也是其运动过程中不可缺少的一部分⑼。机器
人的转弯方式有两种：一种是在前进过程中转弯，花费 时间较长，灵活性差；另一种是定点转弯，相比于前一
种方式，灵活性好，速度快。蜘蛛机器人采用定点转弯 的方式来实现转向动作2⑴，转弯时A 组腿抬起，则右
转；B 组腿抬起，则左转。以A 组抬起实现右转动作过 程为例，蜘蛛机器人动作过程与直线运动过程类似，分
为四个阶段，如图10所示。
第一阶段时，蜘蛛机器人位于起始状态，A 、B 两组 腿着地，摆动腿和支撑腿都起支撑作用。第二阶段时,
A 组腿抬起右转，
B 组腿支撑地面，同时带动整个蜘蛛 机器人机身旋转一定角度。第三阶段时，B 组腿抬起摆
动，A 组腿着地，稳定整个蜘蛛机器人的质心。第四阶 段时，A 、B 两组腿同时着地，稳定蜘蛛机器人的质心，110100
90
100
时间/s (b)二号舵机
20
10时间/s (c)三号舵机
▲图9直线行走步态B 组舵机转角变化曲线
20
20
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(a)第一阶段,B3 |
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(b)第二阶段
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▲图10蜘蛛机器人定点转弯步态过程
(c)第三阶段
(d)第四阶段
严I 严I I A
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4◎
▲图11顿蛛机器人定点转弯步态过程仿真
完成整个转弯动作。
蜘蛛机器人定点转弯步态也是由三角步态演化而
来的，因此定点转弯步态模型可由直线行走步态模型 通过修改部分参数而得到g 。蜘蛛机器人定点转弯步
态过程仿真如图11所示。A 、B 两组一至三号舵机转角
变化曲线如图12、图13所示。
5结论
笔者以蜘蛛为原型，仿照蜘蛛的生理结构进行结 构优化，设计出蜘蛛机器人。建立蜘蛛机器人的模型,
应用相关软件对蜘蛛机器人两种运动步态进行仿真分
析，得出各腿部关节舵机的转角变化曲线，验证了蜘蛛 机器人结构设计的合理性和运动步态的稳定性，为后
期降低蜘蛛机器人实物样机模型控制难度，提升行走 动作协调性，以及实物制作奠定理论基础。
160.0
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(1>)二号舵机
(。)-悝母
时间/s
(C )三号舵机
▲图12 定点转弯步态A 组舵机转角变化曲线
(。)液«
时间/s
(c)三号舵机
▲图13定点转弯步态B 组舵机转角变化曲线
参考文献
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(下转第17页)
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期
动。
3结束语
通过风力发电机塔筒产品模块化设计，企业既可以快速响应市场需求，又能够提高产品质量，还可以降低设计开发成本。塔筒模块化设计的成功表现在以下几个方面。
隔爆灯
(1)塔筒新产品开发模式由传统的串行设计演变为并行设计，研发周期缩短，同一基型产品研发时间缩短70%，所有参数均在布局中控制，通过关系式参数化驱动，研发质量得到大幅提升；
(2)在塔筒主体设计中，设计效率提高，可针对业主的招标进行快速精准响应；
(3)构建了模块化设计开发平台，在模块化基础上，部分结构可直接固化使用，并可通过参数化驱动快速生成模块化设计解决方案。
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A 作者简介：
郑清伟(1993—)，男，硕士研究生，主要研究方向为风力发电机；代元军(1978—)，男，教授，主要研究方向为新能源应用技术。
(编辑小前)
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