一种远程可控式仿生螃蟹机器人

0引言仿生机器人为21世纪初机械科学发展的一个重要方向。

目前，在机器人研究领域，应用仿生学原理，模仿生物的结构特性、从事适合生物特点工作的仿生机器人的研究极具发展潜力，而多足仿生机器人则成为其研究的一个热点。

但是在设计上也有一定的缺点：作为一款灵活移动机
器人，却无法做到灵活的转动，在仿生螃蟹的基础上没有改善其无法灵活转动的缺点；在作用上功能比较单一；运行的稳定性不强；蟹钳不能够灵活夹取物品；控制功能不完善等设计缺点。

（图1）本发明提供了一种仿生螃蟹机器人：由WiFi 实现了
远程控制，可以代替人工进行取物，同时钳子可以进行模块替换以实现不同的功能，如穿插、挖掘等。

在满足基本使用需求后，模块化的接口设计能够更有效提高机器人的一体性。

1基本设计方案本次设计的仿生螃蟹清洁机器人是通过电机连接齿轮带动链条发力带动曲柄摇杆机构使其整体开始运动，并采用ROBO PRO 编程，能够实现蓝牙控制、遥控控制。

此设计共采用7个电机，3个限位开关，1个光敏传感器。

底盘两个电机分别带动左右两个曲柄摇杆运动；遇到垃圾物品时通过连接机械臂大臂的电机控制机械臂整体的升降
（此处有两个限位开关，
方位机械臂运动过位，损伤机械臂），再通过控制机械臂的机械爪抓取物品，升起机械臂时
触碰限位开关，立即将物品丢入顶部的垃圾筐中。

再控制垃圾筐下方连接的涡轮机构控制垃圾筐的升降。

1.1机器人基本结构该仿生螃蟹机器人包括：行走驱动部分，装载部分，导向部分，夹取部分，信息接收和发送部分，传感器部分，摄像头模组，控制部分和电源部分。

①装载篮。

本设计利用丝杠传动从而带动倾斜台，控制改变载物篮的倾斜度来进行翻倒，
且结构紧凑，易于控制，又因为增加了限位开关，可以限制位置以保证设备安全。

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—基金项目:2023年国家级大学生创新创业训练项目———多功能
仿生螃蟹机器人，项目编号：202310641040。

作者简介:梁广南（2002-），男，四川南充人，本科，研究方向为机械电子工程。

一种远程可控式仿生螃蟹机器人
A Remote Controllable Biomimetic Crab Robot
梁广南LIANG Guang-nan ;何伟HE Wei ;张馨月ZHANG Xin-yue ;蒋柏林JIANG Bo-lin ;楚雪莉CHU Xue-li ;周桂宇ZHOU Gui-yu
（宜宾学院，宜宾644000）（Yibin University ，Yibin 644000，China ）
摘要:本设计从仿生角度出发，利用曲柄摇杆、齿轮齿条、丝杠机构等机械结构，设计了一款多功能仿生螃蟹机器人，运动部分由
外侧腿和转向结构组成，通过控制编码电机和转向舵机可以实现仿生螃蟹的横向行走、转向；通过电机控制齿轮关节和绳子牵引控制大臂的运动，通过程序控制电机上的丝杠机构实现钳子夹取和松开的功能；倾倒部分由电机、丝杠结构以及载物台和限位开关构成，由程序控制实现倾倒和收回。

本设计通过螃蟹仿生运动结构，由WiFi 实现了远程控制，可以代替人工进行取物，同时钳子可以进行模块替换以实现不同的功能，如穿插、挖掘等。

Abstract:From the perspective of biomimetics,this design utilizes mechanical structures such as crank rocker,gear rack,and screw mechanism to design a multifunctional biomimetic crab robot.The motion part is composed of outer legs and steering structure.By controlling the encoding motor and steering servo,the lateral walking and steering of the biomimetic crab can be achieved.The movement of the boom is controlled through motor control gear joints and rope traction,and the function of pliers clamping and releasing is achieved through program control of the screw mechanism on the motor.The tilting part is composed of a motor,a screw structure,a loading platform,and a limit switch,which are controlled by a program to achieve tilting and retraction.This design adopts a crab biomimetic motion structure and is remotely controlled by WiFi,which can replace manual retrieval.At the same time,the pliers can be replaced with modules to achieve different functions,such as interpolation and excavation.
关键词:仿生螃蟹；远程可控；夜间照明；限位开关Key words:biomimetic crab ；remote control ；night lighting ；limit switch
中图分类号:TP242
文献标识码:A
文章编号:1006-4311（2023）32-080-03
doi:10.3969/j.issn.1006-4311.2023.32.025
图1机器人整体效果图
光敏开关
装载篮
控制器钳子电源指示灯
导向轮
驱动腿部
夜间照明灯蓝牙控向模块摄像头机械臂
Value Engineering
②摇杆机构。

本设计运动部分采用Ⅲ级杆组的闭链五杆机构，消除传统仿生机械的多自由度，保留一个自由度，运行状态稳定，驱动简单，易于控制。

其运动副为低副，低副两运动副元素为面接触，压强较小，故可承受较大的载荷，且有利于润滑，磨损较小；另外其运动副的几何形状较简单，便于加工制造；在连杆机构中，当原动件的运动规律不变可用改变各构件的相对长度来使从动件中得到不同的运动规律，可以用来达到扩大行程和实现远距离传动等目的。

③机械臂。

关节式机械臂是一种适用于靠近机体操作的传动形式。

可实现多个自由度，动作比较灵活，适于在狭窄空间工作。

通过电机齿轮控制机械臂的起降，同时控制更加便捷。

1.2工作过程行走驱动：在控制面板上点击“前”键，两侧腿部处电机19正转，通过齿轮链条16、17、18将动力传递到腿部大齿轮13上，同侧腿再通过大齿轮的齿轮链条13、14、15啮合以达到同侧同步运动，再通过腿部曲柄摇杆机构，将齿轮转动转化为腿部摆动，以达到爬行行走。

反之，点击控制面板上“后”键，电机19反转，将动力通过齿轮链条17、18、19传递到腿部大齿轮13上，同侧腿也通过大齿轮的齿轮链条13、14、15以达到两侧同步运动。

当装置正处于前或后的运动状态时，点击控制面板上的“停”键，使电机19停止转动，以停止驱动电机来停止行走。

同时在移动过程中，可通过蓝牙遥控器控制蓝牙模块连接的导向轮21上的舵机20，实现移动过程中的左转右转。

结构如图2、图3所示。

①由杆1、杆2、杆3、杆4、杆5、杆6构成一组曲柄摇杆机构。

②由杆7、杆8、杆9、杆10、杆11、杆12构成一组曲柄摇杆机构。

③各杆连接处内部均有轴承保证其转动良好，两两连杆直接通过铰制孔用螺栓连接保证其稳定性。

夹取机械臂：在控制面板上点击“钳子”，（初始状态默认为钳子闭合，钳子由电机22驱动），电机22正转，丝杠24转动，钳子滑块23向前移动，带动钳子25张开，待张开到需要的大小后，点击“停钳”，电机22停止，丝杠24停止转动，钳子25停止张开并锁定开口大小。

待控制装置移动到待夹取物时（通过控制面板上摄像头反馈画面观察，物体到钳子张口中心），再次点击控制面板上的“钳子”，使电机36反转，丝杠24反向转动，钳子滑块23向后移动，带动钳子25闭合，待夹住物体后，点击“停钳”，使电机22停转，钳子停止闭合并锁定开口大小。

再点击控制面板上“臂”，电机32正转、电机30反转，再通过齿轮27传动，带动小臂29抬起，同时电机36正转，通过滚轮将线收束，使大臂26抬起，待夹取物体的钳子到达装载篮后，点击“停臂”，使电机36、30、32停止转动。

之后再点击“钳子”，使电机22正转，丝杠24转动，钳子滑块23向前移动，带动钳子25张开，待物体落入装载篮后，点击“停钳”，电机22停转，钳子25停止张开并锁定开口大小。

再次点击“臂”，电机32反转、电机30正转，再通过齿轮27传动，使小臂29抬高，待延时两秒后，电机34反转，通过滚轮34、35反转释放线，又因为重力作用，臂自然放下，待大臂落至限位开关31处时，触发后，电机36停转，防止滚轮不停转动，将大臂26重新拉上去。

最后通过摄像头观察，待钳子回到初始位置，点击“停臂”，停止电机32、30的转动。

结构如图4所示。

装载篮倾倒与回位：待装载篮37装满收集物品（垃圾）后，点击控制面板上“装载篮”键，电机40正转，带动丝杠39转动，使装载篮滑块38向前移动（此处前为装载篮开口方向），使装载篮转动连接出42倾角增大，通过滑块38不断移动，待到达极限位置，电机M 1停转，丝杠也停止转动，装载篮滑块38停止移动并被丝杠39锁死。

之后再次点击“装载篮”，电机40反转，丝杠反向转动，带动装载篮滑块向后移动，待移动到另一极限位置（此处极限位置为装载篮滑块初始位置）后，电机40停转，丝杠39也停止转动，由此回到初始装载篮37位置。

结构如图5所示。

图2轮腿部分结构图解
1
2
6
1615
18
19
17
12
8
7
910
11
14
13
5
4
3
图3导向部分结构图解
20
21
图4夹取部分结构图解
2324
25
2830
33
32
313436
35
29
272622
夜间照明：在外界光照强度高时，光电传感器I 3接收
信号，照明灯O 3、O 4停止运作（熄灭），当外界光照强度下降时，光电传感器I 3接收信号，照明灯O 3、O 4开始工作（亮起）。

1.3动力学分析
通过前面三步对机构模型的建立以及分析，可以使用回放功能对分析结果进行回放，检查干涉，查看测量和动态测量，获取轨迹曲线和运动包络线以及创建转移到Mechanica ，有利于设计者了解机构的设计合理性、可行性等工程分析。

在丝杠旋转带动滑块平移的过程中，丝杠前端会承受压力，同时丝杠螺旋线上表面会受到载荷。

将丝杠材料定义为结构钢，在旋转过程中受到5N 方向轴向的压力，最后通过受力分析可靠性。

2软件控制行走驱动控制：在控制台上（电脑）点“前”“后”可对机器人发送前进后退指令，通过EM 1上M 3M 4电机正转反转实现，点击“停”可让EM 1上M 3M 4电机停止，从而使之前的前后运动过程停止。

夹取控制：点击控制台（电脑）的“钳子”键，可使钳子电机M 3正转，从而钳子张开，再点击“停钳”，使正转停止。

待钳子运动到指定位置，再次点击“钳子”键，使钳子电机M 3反转，钳口收缩，直至夹住物体，再点击“停钳”，停止电机M 3反转。

机械臂控制：点击控制台（电脑）的“臂”键，使M 4正转，使机械臂大臂抬起至I 4，触发I 4，使EM 1上M 1正转M 2反转，使机械臂小臂抬起，待钳子到达载物篮后，点击“停臂”，使机械臂向上运动停止。

再点击“臂”键，使EM 1上M 1反转M 2正转，机械臂小臂放下，延时两秒后，M 4反转，直至触发I 5，机械臂下放动作停止。

载物篮控制：点击控制台（电脑）上“载物篮”键，M 1正转，载物篮抬起，倒出载物篮中物体，到达I 1后，触发I 1，M 1正转停止。

再点击“载物篮”，M 1反转，载物篮放下，直至到达I 2，触发I 2，载物篮回归原位。

夜间照明：当外界环境为白天时，I 3光电传感器不触发，照明灯O 3O 4不亮，当外界环境为夜晚时，I 3光电传感器触发，照明灯O 3O 4长亮。

3本设计技术优势①实现远程控制，突破环境对人们行动的限制，使其使用更加便民化、便捷化，在10米范围内可实现远程控制。

②可实现自动感光开启或关闭LED 灯，更加契合资源最大化利用、保护环境的要求，当光照强度低于333Lx 可自动开启夜间照明模式。

③能实现垃圾一键夹取、倾倒功能，使其操作更加便捷。

④仿生螃蟹的独特运动方式，让其不受环境的约束，同时能够在平地、草地、沙地等特殊场地进行作业。

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图5装载部分结构图解
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