关于“智蚁”仿生机器人的主体机械部分设计构想

何佳,包佳慧,董骏浩,俞国阳

宁波财经学院

摘要：随着仿生学、材料学、控制等学科技术的融合发展，机器人领域不断取得重大指数型进展，其中微型仿生智能机器人将成为发展趋势之一。本文提出一种基于自主导航和软体机械的六足蚁型机器人，为实现灵活探索狭窄地形，以及解决日常生活中难以捡拾位于角落的物品可，便利人的生活。本项目针对人难以在狭小地形活动，研发一款可以在狭窄地形行动，捡拾物品的仿生蚂蚁机器人

关键词：微型仿生机器人；蚁型；机械结构；运动仿真

引言：

仿生学是20世纪中期出现的一门新的科学, 其研究方向主要是:自然生物的生物学结构、以及其工作原理, 学习研究这些原理之后并且把其运用到现实中的工程科学中, 从而发明出性能更加优越的机器, 更好的为人类服务。时至今日, 仿生学研究扩展到许多科学技术领域, 尤其在机器人学方面得以运用最多。机器人领域的重要分支之一是移动机器人［1］。

蚂蚁作为理想的仿生目标，具有构造易分割、爬行灵活、平稳性好等特点，本文由此提出一种基于slam和软体机械的六足蚁型机器人，可用作狭隘地区探测和搬运。该机械主要通过以软体机械模拟代替口器进行物体的搬运。由于如今的机器人领域在微型仿生和软体机械的结合研究方面还较为不足，因此本文提出的新型机器人对于相关研究的发展具有一定的借鉴意义。

1研究现状

微型仿生机器人综合了机械工程学，仿生学，控制学和计算机学多门学科，模拟了自然界中昆虫的结构外观，运动机制和行为方式，拥有类似生物的灵巧性和智能性等优点，能够配合科研人员完成特定的任务。

微型仿生六足机器人已成为如今爬行机器人领域的热门前沿技术，其新机构的设计，新控制器与新传感器的开发和新驱动系统的探索，不仅会在技术层面上带给移动机器人一场新的革命，还会在军事，空天，工业制造，医学研究乃至社会生活等多方面产生巨大的影响。

多足仿生机器人研究以四足、六足的仿生机器人为主，对八足仿生机器人研究相对较少。与双足和六足仿生机器人相比，四足仿生机器人具有良好的承载力、稳定性和相对简单的步态控制系统[2]。

2整体设计方案

2.1理论设计

设计中将机器人整体构造定为一级方向，把硬件搭载和软件支持两部分设为二级分类，在硬件和软件中各自引出细分功能模块作为三级选择。鉴于蚂蚁结构简单、环境适应性强的特点，本文的微型仿生机器人以蚂蚁为对象。因为仿照蚂蚁作为主体，所以将其分为主体机构，步足运动机构，夹持机构共同组成[1]。其中主题机构分为头、胸、腹三部分，其两两之间以柔性铰链相连。头部作为大脑和眼睛的所在地，配有激光雷达、传感器、深度摄像头以及软体机械颚等部件；胸部和腹部控制六足，同时内置其余大部分功能模块。

2.2设计原理

根据上述理论架构划分功能模块，仿生机器人系统设计如图 1所示

图 1 核心系统设计框架

电源模块和动力模块为机器人的“心脏”，电源模块为相关模块提供电源和保护；目前微机电系统的驱动技术中压电驱动具备更多优势，因此采用压电驱动技术［3］；视觉模块和避障模块为“眼睛”，包括激光雷达、各类传感器、摄像头等，用于周遭环境数据的采集和机器人定位；在各类数据采集后，进入机器人的“大脑”——通讯及处理模块，上传平台实现slam即时定位与地图构建，以及其他信息处理功能[4]。其中重要的搬运通过软体机械完成，在此借鉴了Brun P. T.教授课题组最新研究的气泡浇铸软体机器人［5］。在各部件就绪之后便可下达指令使机器人运动于狭隘地形区内完成系列任务。

3 系统硬件设计

3.1 硬件设计方案

机器人采集的数据信息通过总线串口传递到嵌入式主控，电源模块通过稳压电路为所有功能模块提供电源，主控和通讯处理模块将数据处理后发送给上位机的通讯模块，数据再通过串口总线到达控制ＰＣ进行处理，等待进行下一步指令操作。

3.2蚁型结构设计

机器人的仿生蚂蚁构造是主要的硬件基础，同时移动结构是正常运作的前提［6］。该机械结构由传动齿轮、驱动连杆、主摇杆、辅助摇杆、足和支撑板构成齿轮曲柄摇杆机构。主齿轮与 2 个相隔180°的对心驱动齿轮相配合，主齿轮转动驱动齿轮曲柄摇杆，从而带动足运动。合适的尺寸设计以确保步足能够有规律地进行迈步运动为使机器人成功按预期进行工作，将足式、履带等移动类型进行对比，最终针对狭隘地形的复杂特点，选择仿生蚁型结构作为运动负载平台。如图 2 机械结构示意图所示。用于模拟机构的运动特性。驱动连杆、主摇杆、辅助摇杆和足之间采用转动副进行连接。

图 2 机械结构示意图

4 总结和改进

该机械为仿照蚂蚁的微型爬行机构，可以实现配合整机在爬行时更加自由适应各种狭窄地形。该机械整体采用了动力学分析，动力学模型可以用来预测驱动器与机身结合后的动力学影响，还可以用来决定机身参数和控制方案轻质量，称重力高，可选取轻质高分子材料，机身关节采用插销式设计，减少了装配难度。装配了记忆金属不易形变，更加强了蚂蚁仿生机器人的稳定性。对模块的运用提供了广泛的场景，提升了其潜在价值，为科技创新行业提供了新的发展前景与思路。

本文主要设计了该“智蚁”机器人的总体结构，对于各细分结构和模块的选材还需要进一步研究改善。目前在图像识别、软体机械选用等方面存在不足，机器人还能加入陀螺仪、云控制等技术，或是改进在管道等特殊地形的搬运能力，促进我国机器人事业在十四五规划下产生指数型发展。

参考文献：

［1］陈书鸿,刘方庆,林益凡等.八足机械螃蟹设计及其运动分析[J].科技创新与应用,2023,13(09):22-27.DOI:10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.09.006.

［2］N. Lobontiu,M. Goldfarb,E. Garcia. A piezoelectric-driven inchworm locomotion device[J]. Mechanism and Machine Theory,2001,36(4).

［3］Jones Trevor J.,Jambon Puillet Etienne,Marthelot Joel,Brun P. T.. Bubble casting soft robotics[J]. Nature,2021,599(7884).

［4］陆永杰. 基于多传感器融合的室外室内连续定位系统研究[D].南京邮电大学,2019.DOI:10.27251/d.cnki.gnjdc.2019.000099.

［5］杨必胜,梁福逊,黄荣刚.三维激光扫描点云数据处理研究进展、挑战与趋势[J].测绘学报,2017,46(10):1509-1516.

［6］万海金. 基于鸵鸟足部生物组装特征的越沙机械腿足部仿生研究[D].吉林大学,2019.