六足机器人

208六足機器人組員：林怡均、朱文毅、吳啟彰、周韋佑、張育展德霖技術學院機械工程系夜二技096A指導老師：黃澤世老師摘要近年來有相當多的研究探討兩足至多足機器人的應用，過去兩足機器人多為輪型機構系統，其運動局限於二維平面無法克服許多困難山區崎嶇的地形[1]。因此，人類開始思考創造類似人類、昆蟲、動物等運動模式的步行機器人。因為步行機器人具有較優越的跨障能力，可以克服困難崎嶇的地形，且因為機器人比人類能承受更嚴苛的工作環境，因此可以運用在許多危險的工作，例如火山的研究或其他星球的探測等。我們仿造六足節肢動物的身體結構，設計以十二顆伺服馬達帶動各腳的上下與前後運動，並依照六足節肢動物的行走步態，調整行進穩定性。並配合控制系統的建立，完成硬體的致動與協調，以達到所要求的動作、行進速度與避障能力[3]。致謝感謝黃澤世老師細心的為我們揣摩此研究的重點所在，也提醒了我們很多該注意卻沒注意到的問題，將我們的作品更完整的展現出來。一、研究目的人類對於外太空探險的慾望不曾一日間斷過，因此，如何在不危害人類生命的前提下，挑選先遣部隊之探險員，值得深思。在國內外已由很多學者深入探討可移動式機器人的設計與改進。一般的可移動式機器人的移動方式可分為輪形、足形和軌跡形。在足形移動式方面有分兩足、四足、六足和多足機器人，另外還有蛇行移動機器人。不論在靜止或行走，多足機器人的移動較具靈活性與變化，但其步行控制的困難是需要有良好的控制與規畫，多足機器人較不受地形限制，可四處移動是探索未知環境的一項利器，更是很好的研究題材[5]。二、設計原理仿生式六足機器人，顧名思義，當我們第一次聽到六足(六隻腳)時，很自然就想到在這大自然之中，昆蟲就是六隻腳的[4]。故在此研究範圍我們將可以昆蟲的足步結構，步行型態，協調性…等等作為基準，先以模仿昆蟲的各類步行，進階改良成最適合機械器具移動的腳步，配合連桿組進而做出最有效率的步行機。在此範疇中，最需要去研究的正是六隻腳的協調性、各腳如何踏出、…類似此類的問題。事實上由於有些研究前輩留下的文獻，我們參考可以了解到仿生六足機器人在移動，首先仿生六足機器人呈長方形，腳分別再兩旁各三隻，移動時左邊前腳和後腳和右邊的中腳跨出，之後換邊移動，形成三角形狀的踏出每一步，由於重心皆在於兩個三角型的中間移動，故其移動穩定[8]。六足機器人在我們理想架構中，希望把腳擺成一個正六邊型，這樣比起一般仿生昆蟲機的好處在於，由於每隻腳掌管各一個方位(先不論或許要不要更多隻腳管更多方位)，故在移動時或許看似吃力，在轉彎時只要固定幾隻腳動，固定幾隻腳不動，就可以造成方向的位移，且不需要設計相當複雜的轉彎控制系統[7]。209比起傳統仿生式機器人的轉彎，首先要將要轉向的那邊腳步步伐距離先調小，並且協和其腳步抬降頻率，才能做出緩慢的轉彎，就轉彎能力來說，我們不難想像環繞是六足機的轉彎能力必定會比仿生式六足來的完美。六足機器人在未來的遠景感覺相當有發展潛力，由於太空科技的日漸增長，使得外太空的探測十分重要，現今在用於探測火星的車子乃是利用懸吊系統高的太陽能六輪車，雖然不易翻覆，但難保不會，若是六足機器人，重心位於六腳之中，肯定會比太陽能六輪車更穩定，避障能力更是無話可說[12]。三、研究方法足是昆蟲的運動器官。昆蟲有3對足，在前胸、中胸和後胸各有一對，我們相應地稱為前足、中足和後足。每個足由基節、轉節、腿節、脛節、跗節和前跗節幾部分組成。基節是足最基部的一節，多粗短。轉節常與腿節緊密相連而不活動。腿節是最長最粗的一節。第四節叫脛節，一般比較細長，長著成排的刺。第五節叫跗節，一般由2-5個亞節組成﹔為的是便於行走。在最末節的端部還長著兩個又硬又尖的爪，可以用它們來抓住物體，如圖一所示[10]。行走是以三條腿為一組進行的，即一側的前、後足與另一側的中足為一組。這樣就形成了一個三角形支架結構，當這三條腿放在地面並向後蹬時，另外三條腿即抬起向前準備替換。前足用爪固定物體後拉動蟲體向前，中足用來支持並舉起所屬一側的身體，後足則推動蟲體前進，同時使蟲體轉向[11]。這種行走方式使昆蟲可以隨時隨地停息下來，因為重心總是落在三角支架之內。並不是所有成蟲都用六條腿來行走，有些昆蟲由於前足發生了特化，有了其他功用或退化，行走就主要靠中、後足來完成了[9]。大家最為熟悉的要算螳螂了，我們常可看到螳螂一對鉗子般的前足高舉在胸前，而由後面四條足支撐地面行走。[6]圖一昆蟲腳的構造圖二基節圖三腿節210圖四徑節&胕節圖五爪參考以上的昆蟲足部結構，我們想出了較簡單的方式來表達。一支腳共有兩個關節(假設沒有爪的情況下)，一個關節採左右式移擺；另一個關節則是採偏擺式，使腳可提高，當做上下運動的一種，如圖六所示。圖六圖面設計以圖六簡單介紹我們的初稿設計，足部共有六隻，且每隻腳皆使用兩顆伺服馬達(圖面上表示為灰色)，一顆馬達控制左右擺動(可前進或後退)；一顆馬達做上下擺動(可抬腳或放下)，中間機身內部可配置電路板及其他可能會加裝的電子產品(如無線收發模組…等等)。四、製作過程圖七製作硬體流程圖一開始只看過圖片，並未實際看過硬體，所以當我們在構想我們的六足機器人時，也是下了一番功夫。例如要上網找尋各種多足機器人影片來參考、昆蟲的資料…等等。在組員討論的過程中，我們最後決議以最簡單的方式來表達我們的六足機器人。構想出爐後，緊接著就是繪圖了，繪圖是將討論的結果先以圖面展示出，經過組員的討論過後，再交由老師指點。當我們確認這圖面大致上沒問題後，我們就開始再找廠商製作材料。找廠商製作材料花了我們不少時間，因為構想繪圖組員討論圖面請老師提供建議組員討論發料組裝材料完成修改211東西少，加上我們都沒有熟識的人有管道，所以在找的過程裡遇到了很多的困難。譬如，就有廠商很直接告訴我們『你們東西太少，加工時間很難評估給你們，至於價格上當然也會比較貴。重點是東西太少，我們可能無法為你們做加工。』而且還不只一、兩家這樣說，讓我們備感挫折。在我們不曲不撓的精神下，最後總算讓我們找到肯為我們加工的廠商，雖然價錢貴了點，時間上也沒辦法給我們確定的時間，但是總比找不到廠商的好。等材料到齊，我們就開始組裝，在組裝的過程中看似無任何問題，然而在老師拿給我們測試馬達歸零點的電控板來試機時，發現在垂直腳部的驅動時會與左右偏擺驅動的機殼卡住，如圖八所示紅色圈起處；固定兩側鋁片的位置在旋轉時會扭曲變形，如圖九所示。圖八腳部機構圖九兩側固定鋁片出現這兩個問題真令我們頭大了，於是就開始了我們修改的過程。第一次做修改，我們將馬達後方固定板取下，使馬達運轉時不會卡住。另外也將固定鋁板板厚改為2t加強固定強度，如圖十所示。圖十第一次改良改良後，經過黃老師的指點下，我們又發現了新的問題點，以圖十來看，我們在足部機構做得不夠完整，因此，足部馬達運轉時，只有左右偏擺，而不是上下擺動。因此，我們四處去查找了資料，將前人的資料下拿來參考，發現在足部機構，大部分前人都是設計為四連桿機構，於是，我們又朝這部分的構想來進行第二次改良。第二次改良我們想了很多的固定方式，必須想辦法不讓我們之前已做好的零件報廢掉，也必須考慮到金額不超過上限的限制下，真的讓我們頭大。經過大家的討論後，我們決定捨去金額限制的條件，畢竟，要修改必然會加錢。在大家的檢討研究下，決定了最後的修改方法，四連桿機構加在足部機構，但固定方式可就又把我們再次考倒。活動點要做的簡易、省錢，真的是傷透腦筋。於是我們再去找黃老師研究，經過黃老師的建議，我們決定了最簡單的方式來固定活動點，也就是使用”套筒”，套筒其實很好做，但因為我們的工件較小，因此車起來比較費工夫。而且要很小心，因為夾持的面實在是很小。在組長張育展花了將近一天的加工時間212下，我們總算是完成了固定點的套筒。將零件都組裝起來，成功的完成了我們的第二次改良。如圖十一所示。為了加強我們足部的機構，因此各個連結板都是使用2t以上材料加工而成。硬體完成後，緊接著開始進行電路配置及程式設計。圖十一第二次改良圖十二配線圖依圖十二所示配線圖，我們將其配線焊接在電路板上，如圖十三所示。在圖十三我們可清楚看見IC-HT48E50-28為控制各個馬達的輸出點以及各個馬達的接PIN點以及REST開關點。圖十三電路板實體五、結果與感想第一次試機，我們的感覺是緊張，雖然說這是很多人都研究過的機器人，但在我們看來，我們就是第一次做。緊張的情緒是難免的。看到它真的動起來，那感覺真的是很開心，非常的開心。試機的成果，雖然不如想像的好，但，只要是自己親手做出來的東西，那種感覺就差了很多。我們的六足機器人在足部的地方，公差下的太大，應該是設計的部分出了問題，造成身體的重心不穩，在前進時，抬起預設的第一隻腳，身體的重心明顯的往前偏擺，針對這個問題，我們做了以下些許的修改變更。(1)前端腳與後端腳移至最前端與最後端。(2)將螺絲套筒公差調整為較洽當。(3)電路板擺放位置偏向後腳端，使其重心一致。修改完成後，我們的完成體如圖十四所示。圖十四完成體213參考文獻[1]、HayatiS.,“TheRocky7Rover:AMarsSciencecraftPrototype”,JetPropilsionLaboratory,CaliforniaInstituteofTechnology,InternationalConferenceonRoboticsandAutomation,1997.[2]、RaibertM.,ChepponisM.,andBrownH.Jr.,“Runningonfourlegsasthoughtheywereone”,RoboticsandAutomation,IEEEJournaloflegacy,pre-1988.[3]、BoggessM.J.,SchroerR.T.,QuinnR.D.andRitzmannR.E.,“Mechanizedcockroachfootpathsenablecockroach-likemobility”,IEEEInternationalConferenceonRoboticsandAutomation.[4]、DeVaultJ.E.,“Roboticsystemforunderwaterinspectionofbridgepiers,”IEEEInstrumentationandMeasurementMagazine.[5]、NishiA.,“Developmentofwall-climbingrobots,”ComputersElect.Engng.[6]、MoriH.,KotaniS.,andKiyohiroN.,“ArobotictravelaidHITOMI”,ProceedingsoftheIEEE/RSJ/GIInternationalConferenceonIntelligentRobotsandSystems,pp.1716-1723,1994.[7]、BeerR.D.,QuinnR.D.,ChielH.J.,andRitzmannR.E.,“Biologicallyinspiredapproachestorobotics”,CommunicationsoftheAcm.[8]、LaksanacharoenS.,PollackA.,NelsonG.M.,RitzmannR.E.,QuinnR.D.,“BiomechanicsandSimulationofCricketforMicrorobotDesign”,IEEEConferenceonRoboticsandAutomation,2000.[9]、SchmitzJosef,DeanJeffrey,KindermannThomas,SchummMichael,andCruseHolk,“Abiologicallyinspiredcontrollerforhexapodwalking:Simplesolutionsbyexploitingphysicalproperties,”Bilo.Bull.200,pp.195-200,2001.[10]、Mach