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仿生蛇形機器人的設計及研究
盧亞平,,宋天麟
(蘇州大學 應用技術學院,江蘇 蘇州215325)
摘要: 對蛇的身體結構和運動形態(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,,結合結構設計,、控制系統(tǒng)設計等,設計一條13關節(jié)的仿生機器蛇,,實現(xiàn)蜿蜒前進,、轉彎、蜷縮,、抬頭等動作。并對仿生蛇的設計提出一些看法,,結合實際,,對其未來發(fā)展提出建議。
Abstract:
Key words :

摘  要: 對蛇的身體結構和運動形態(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,,結合結構設計,、控制系統(tǒng)設計等,設計一條13關節(jié)的仿生機器蛇,,實現(xiàn)蜿蜒前進,、轉彎、蜷縮,、抬頭等動作,。并對仿生蛇的設計提出一些看法,結合實際,,對其未來發(fā)展提出建議,。
關鍵詞: 蛇形機器人;結構設計;蜿蜒運動

    隨著仿生學的發(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,。蛇形機器人可適應各種復雜地形的行走,,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,,在許多領域具有非常廣泛的應用前景。本文通過對蛇的運動方式進行分析并就仿生蛇的關節(jié)結構進行設計,,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),,產生一個側向的運動,。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方向進行空間復合運動,就產生所謂的側向移動[2],。

    考慮仿生蛇設計的便利性,,選擇蜿蜒的運動方式,并假設以正弦波傳遞,。可以知道在波形傳遞過程中各個關節(jié)相對旋轉角度的變化,,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)調動作向前推進,。Serpenoid[3]曲線己經被廣泛應用到蛇形機器人上,,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 仿生蛇形機器人結構設計
    設計了仿生蛇形機器人三個部分的關節(jié)模型,,分別是頭部關節(jié),、驅動關節(jié)和尾部關節(jié),并用計算機輔助設計軟件UG NX7.0繪制出了各個關節(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,,加上最適合該技術的光敏樹脂材料,,加工理想的關節(jié)實物[4]。
2.1 仿生蛇形機器人驅動關節(jié)設計
    仿生蛇由13個關節(jié)串聯(lián)而成,,每個關節(jié)都具有一個獨立的自由度,,前3個關節(jié)(舵機11、12,、8)負責蛇形機器人抬頭和搖頭動作,,從第4個關節(jié)開始為驅動關節(jié),通過關節(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。關節(jié)(舵機)2,、5完成轉彎,,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動關節(jié)建模。

2.2 仿生蛇形機器人尾部設計
    仿生蛇形機器人尾部設計不僅要考慮外型,,還要把它設計為整個系統(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節(jié)建模,。

2.3 仿生蛇形機器人頭部設計
    仿生蛇形機器人頭部設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,。因各模塊結構復雜且尺寸不一,,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,。仿生蛇形機器人關節(jié)連接如圖5所示。

3 仿生蛇形機器人控制系統(tǒng)設計
    蛇形機器人基本的設計思想是通過改變各個關節(jié)之間相對運動角度來使蛇體達到相應的運動姿態(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)的各個關節(jié)之間的相對轉角的公式,,通過控制每個關節(jié)的轉角,實現(xiàn)蛇的連續(xù)蜿蜒運動,。整個控制系統(tǒng)設計框圖如圖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)調控制,,實現(xiàn)對機器人的控制。

    主控單元采用ArduinoAVRmega168-20PU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,,控制轉角精度高,,以至能夠完成蜿蜒前進、轉彎,、蜷縮等動作,。
    蜿蜒前進根據(jù)Serpenoid曲線公式,設置蜿蜒舵機角度,,各舵機角度如表1所示,。舵機轉角范圍一般為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:

viud kiio( )

 


轉動,。這樣就能使仿生蛇比較靈活地轉動,,不受摩擦力的約束,同時又能使蛇正常前進,。
參考文獻
[1] 王立權.機器人創(chuàng)新設計與制作[M].北京:清華大學出版社,,2007.
[2] 黃恒,顏國正,,熊翔.蛇形機器人的運動策略[J].電機與控制學報,,2002,6(3):249-251.
[3] 孫洪,,馬培蓀.蛇形機器人一種基于serpenoid曲線的蠕動步態(tài)[J].機械設計與研究,,2008,24(1):39-41.
[4] 宋天麟,,王立軍.蛇形機器人的研究與開發(fā)[J].機械制造與自動化,,2005,34(6):120-121.
[5] 盧亞平,,宋天麟.基于舵機控制的防生魚設計[J].微型機與應用,,2011,30(14):72-74.

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