摘 要： 對蛇的身體結(jié)構(gòu)和運動形態(tài)進行了分析，掌握了蛇的運動模型,，分析了蛇在蜿蜒運動過程中的受力情況,。通過對蛇行運動的研究，結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計,、控制系統(tǒng)設(shè)計等,，設(shè)計一條13關(guān)節(jié)的仿生機器蛇，實現(xiàn)蜿蜒前進,、轉(zhuǎn)彎,、蜷縮、抬頭等動作,。并對仿生蛇的設(shè)計提出一些看法,，結(jié)合實際，對其未來發(fā)展提出建議,。
關(guān)鍵詞： 蛇形機器人,；結(jié)構(gòu)設(shè)計；蜿蜒運動
隨著仿生學(xué)的發(fā)展,，人們把目光對準了生物界,，探索新的運動模式有了新的進展,。蛇是無四肢動物中最龐大的一類，在幾千年的進化歷史中,，它能進行多種運動以適應(yīng)不同的生活環(huán)境（如沙漠,、水池、陸地,、樹林等）,。仿蛇形機器人就在這種背景下誕生了。蛇形機器人可適應(yīng)各種復(fù)雜地形的行走,，如在戰(zhàn)場掃雷,、偵測、爆破,、礦井和廢墟中探測營救,、管道維修以及外行星地表探測等[1]，其性能優(yōu)于傳統(tǒng)的行走機構(gòu),，在許多領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用前景,。本文通過對蛇的運動方式進行分析并就仿生蛇的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，提出系統(tǒng)控制方案,。
1 蛇類運動研究
在自然界的不同環(huán)境中,，生存著不同種類的蛇，它們的運動方式也有所不同,，大致可分為以下幾種：(1)蜿蜒運動：蛇體擺動近似于正弦波的規(guī)律，依靠腹部蛇鱗與地面的摩擦作用產(chǎn)生推動力,。蜿蜒運動時,，蛇體作橫向的波動，形成若干個波峰和波谷,，在彎曲處的后邊施力于地面,，沿從頭部到尾部方向傳播，由地面的反作用實現(xiàn)運動,。(2)伸縮運動：在蛇通過長直的狹窄通道時常采用這種運動方式,。該運動可分為兩個節(jié)拍，先以前部作支撐,，收縮肌肉向前拉后部,，再以后部作支撐，通過肌肉收縮向前推動前部,。這種運動的效率比較低,。(3)側(cè)向移動：這種運動常見于生存在沙漠中的蛇類。運動中蛇腹始終都只有很小的部分與地面接觸,，而相鄰接觸部分之間的軀體是抬起的,，分順序接觸地面,，然后抬起，依次循環(huán),，產(chǎn)生一個側(cè)向的運動,。這種運動的效率比較高，能獲得較大的加速度,，適合在柔軟的沙地運動,。
在以上運動方式中，最常見的是運動效率最高的蜿蜒運動,，然后是伸縮運動,，側(cè)向運動比較少見。通過對蛇的運動分析可見,，無論哪一種運動方式,，都可以看成是一系列的波形傳遞，如圖1所示,。YZ平面沿Y方向上下運動,，實現(xiàn)伸縮運動；XY平面沿Y方向左右運動,，實現(xiàn)蜿蜒運動,；如果YZ平面和XY平面沿Y方向進行空間復(fù)合運動，就產(chǎn)生所謂的側(cè)向移動[2],。
考慮仿生蛇設(shè)計的便利性,，選擇蜿蜒的運動方式，并假設(shè)以正弦波傳遞,?？梢灾涝诓ㄐ蝹鬟f過程中各個關(guān)節(jié)相對旋轉(zhuǎn)角度的變化，從而控制波形穩(wěn)定地向前推進,。蛇形機器人是一個多連桿系統(tǒng),，通過各相鄰連桿的協(xié)調(diào)動作向前推進。Serpenoid[3]曲線己經(jīng)被廣泛應(yīng)用到蛇形機器人上,，以Serpenoid曲線為例對蛇形機器人的運動步態(tài)進行規(guī)劃,。Serpenoid是指一個穿過X-Y坐標系原點的曲線，如果滿足以下條件,，就可以被稱為蜿蜒曲線：
其中a,、b、c三個參數(shù)將決定曲線的形狀,，通過改變Serpenoid曲線的這三個參數(shù),，既可以改變蜿蜒曲線的傳播波型、傳播幅度,，也可以改變曲線的傳播方向,。由Serpenoid曲線的定義可得到N關(guān)節(jié)組成的近似Serpenoid曲線蛇型機器人蜿蜒運動的角度,。
2 仿生蛇形機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計
設(shè)計了仿生蛇形機器人三個部分的關(guān)節(jié)模型，分別是頭部關(guān)節(jié),、驅(qū)動關(guān)節(jié)和尾部關(guān)節(jié),，并用計算機輔助設(shè)計軟件UG NX7.0繪制出了各個關(guān)節(jié)的模型。蛇形機器人的加工材料有硬鋁,、PVC塑料,、ABS塑料、樹脂等,，考慮到機械加工性能,、塑性、韌性,、強硬度等,，最終選定了光敏樹脂。加工方法選擇快速成型加工,，其核心思想是離散堆積成型,。運用激光快速成型技術(shù)，加上最適合該技術(shù)的光敏樹脂材料,，加工理想的關(guān)節(jié)實物[4],。
2.1 仿生蛇形機器人驅(qū)動關(guān)節(jié)設(shè)計
仿生蛇由13個關(guān)節(jié)串聯(lián)而成，每個關(guān)節(jié)都具有一個獨立的自由度,，前3個關(guān)節(jié)(舵機11,、12、8)負責蛇形機器人抬頭和搖頭動作,，從第4個關(guān)節(jié)開始為驅(qū)動關(guān)節(jié),，通過關(guān)節(jié)(舵機)0、1,、3、4,、6,、7、9,、10相互配合完成蜿蜒運動,，模擬蛇形曲線推動整個蛇形機器人身體的前進。關(guān)節(jié)(舵機)2,、5完成轉(zhuǎn)彎,，蜷縮動作。圖2所示即是運用UG NX7.0軟件繪制的仿生蛇形機器人驅(qū)動關(guān)節(jié)建模,。
2.2 仿生蛇形機器人尾部設(shè)計
仿生蛇形機器人尾部設(shè)計不僅要考慮外型,，還要把它設(shè)計為整個系統(tǒng)的動力來源,，因所需控制舵機較多，電源采用鋰聚合物電池,。電池較重,，為滿足運動要求，需安放在蛇的尾部,。圖3所示即為運用UG NX軟件繪制的仿生蛇形機器人尾部關(guān)節(jié)建模,。
2.3 仿生蛇形機器人頭部設(shè)計
仿生蛇形機器人頭部設(shè)計是模仿人腦的功能，它集超聲波測距模塊(仿生蛇眼),、聲控電路模塊(仿生蛇耳),、MCU控制模塊(仿生蛇大腦)、32路舵機控制模塊(仿生蛇小腦)等重要控制單元為一體,，如圖4所示,。其中MCU控制模塊為上位機，負責各信息的處理,；舵機控制模塊為下位機,，負責各舵機角度的控制，完成基本動作要求,。因各模塊結(jié)構(gòu)復(fù)雜且尺寸不一,，因此無法通過快速成型加工得到較合適的蛇頭模型，只能采取手工加工完成頭部的設(shè)計,，再用電路板直接拼裝而成,。其中，采用U形金屬支架連接舵機和頭部,，使蛇形機器人可以做到抬頭和低頭的動作,。仿生蛇形機器人關(guān)節(jié)連接如圖5所示。
3 仿生蛇形機器人控制系統(tǒng)設(shè)計
蛇形機器人基本的設(shè)計思想是通過改變各個關(guān)節(jié)之間相對運動角度來使蛇體達到相應(yīng)的運動姿態(tài),，從而實現(xiàn)蛇體的運動,。通過對蛇類蜿蜒運動的研究，計算出蛇在不同運動形態(tài)的各個關(guān)節(jié)之間的相對轉(zhuǎn)角的公式,，通過控制每個關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角,，實現(xiàn)蛇的連續(xù)蜿蜒運動。整個控制系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖6所示,。即將主控單元通過擴展板進行擴展,，將32路舵機控制板、超聲波傳感器模塊和聲控模塊連接為一整體,，通過擴展板將各個模塊與主控單元協(xié)調(diào)控制,，實現(xiàn)對機器人的控制。
主控單元采用Arduino的AVRmega168-20PU微控制器與32 路伺服舵機控制器串口連接，通過主控單元上位機給伺服舵機控制器傳遞控制指令,，即可實現(xiàn)多路伺服舵機的單獨控制或同時控制,，控制指令精簡，控制轉(zhuǎn)角精度高,，以至能夠完成蜿蜒前進,、轉(zhuǎn)彎、蜷縮等動作,。
蜿蜒前進根據(jù)Serpenoid曲線公式,，設(shè)置蜿蜒舵機角度，各舵機角度如表1所示,。舵機轉(zhuǎn)角范圍一般為180°,，居中時角度為90°，控制舵機的PWM范圍一般為500～2 500,，居中90°時的脈寬數(shù)為1 500[５],。
蜿蜒運動程序編寫如下：
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轉(zhuǎn)動。這樣就能使仿生蛇比較靈活地轉(zhuǎn)動,，不受摩擦力的約束,，同時又能使蛇正常前進。
參考文獻
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