UP-SolidSnake蛇形机器人教学实验系统使用说明书

UP-SolidSnake蛇形机器人教学实验系统使用说明书北京博创科技2005年12月前言本说明书以仿生机器蛇为背景，从项目开发的角度，来讲述机器蛇项目设计过程中所涉及的技术知识，更重要的是通过介绍机器蛇的各种设计过程，讲述典型机电一体化项目开发的有关知识。我们给机器蛇起了一个有趣的名字SolidSnake（刚体蛇），即是以机械结构等刚体构建柔性的机器蛇。本机器蛇说明书，希望能够达到以下几点目的：通过机器蛇介绍，大家能够对SolidSnake有个总体了解，并清楚SolidSnake的结构设计、运动研究、控制系统等方面的内容。通过机器蛇使用说明，大家能够组装制作机器蛇，并能够操纵机器蛇完成一定形式的运动，另外，能够通过预留的接口，自己编程控制机器蛇。目录§1机器蛇介绍§1.1研究概况；§1.2结构设计；§1.3运动研究；§1.4控制系统设计§2机器蛇使用说明§2.1装配说明；§2.2控制机器蛇运动；§2.3编程控制机器蛇；§1机器蛇介绍；仿生机器人的研究是目前机器人领域里比较活跃的一个方向，目前已有各种各样的仿生机器人面世，像机械昆虫、机器鸟、机器鱼、机械蟹等等……。生物界中蛇是一种极为特殊的生物，它的运动形式非常的特别。蛇没有脚，他怎么就能向前“走”了呢？这个看似简单的问题，从古代便吸引了众多人的注意。亚里士多德就曾经在他关于动物运动的文章中讨论过蛇向前运动的原因。但直到20世纪中期以前，许多人的理论都很偏驳，他们认为蛇是靠他们的“脚”（鳞片）来向前运动的。近20年来。随着机器人学兴起，特别是仿生机器人的活跃，蛇运动的研究，机器蛇的研制,已成为仿生领域的研究热点。蛇形机器人在战场上的扫雷，爆破，矿井和废墟中探测营救，管道维修以及外行星地表探测等条件恶劣，且要求有高可靠性的领域有着广阔的应用前景。另外，研究仿生机器人，特别是蛇形机器人的本身会有很大的乐趣，当你看到刚体的金属或者塑料结构在控制下变得有柔顺而富有生命时，那种喜悦是难以言表的。我们充分考虑了蛇类生物的运动特点，从仿生学的角度，结合机器人动力学和摩擦学等的相关理论，建立了蛇的行波运动学模型，并研制了自己的机器蛇样机——SolidSnake，并利用SolidSnake实现了蛇的蠕动、游动、侧移、侧滚、抬头、翻越障碍物等运动形式。SolidSnake利用垂直和水平方向正交的关节来拟和蛇类生物柔软的身体，每两个正交的关节组成一个单元体，每个单元体相当于一个万向节，具有两个方向的自由度，整体形成一个高冗余度的结构体。这样的机构设计使蛇体具有向任何方向弯曲的能力。在电路设计上采用“分布式底层运动控制——高层中枢决策”的控制逻辑，通过RS232总线通讯。上位机为PC机控制，PC机可以控制主机，调用运动模式库，实现对solidsnake-II的高层控制；也可直接控制solidsnake的各个关节，实时的改变任意关节的状态，实现底层控制。SolidSnakeSOLIDSNAKE的主要技术参数：参数单元体长度全长直径净重最大速度平均功耗值110mm0.98m50mm1kg8-10m/min25W§1.1近代国内外研究概况；日本的ShigeoHirose在1972年的时候研制了ACM，算是比较早的一仿生学的角度研究机器蛇的。近年，一个有兴趣的博士生对ACMIII进行了改进研究，实现了效果非常好的运动。图日本的ACMIII美国宇航局(NASA)NASA于1999年开始研究多关节的蛇形机器人，计划在其太空计划中用于行星地表探测以及空间站维护工作。其第一代蛇形机器人如图所示。它采用相邻正交的串联机构，由中央计算机集中控制。该机器人能完成蠕动前进，游动前进，翻越简单障碍物等功能。该蛇形机器人结构简单合理，对目前的蛇形机器人结构产生了很大的影响。NASA的蛇形机器人如图所示：图1NASASnakebotI德国人Gavin.H从约1997年开始从事蛇形机器人的研究工作，到目前为止共设计并制作了S1,S2,S3,S4,S5五代蛇形机器人，图2为S5。其研究已经达到相当高的水平，特点是：各个关节形状尺寸不同，高度模拟生物蛇；为二维结构，无法完成三维空间运动；依靠从动轮而不是摩擦运动，运动速度很高，主要运动方式为游动。图2蛇形机器人S5德国GMD国家实验室也开发出了基于模块式结构和CAN总线的蛇形机器人，其结构为三维关节，每关节有三个电机及六个力矩传感器，六个红外传感器，因此结构相当复杂，直径达20cm左右。其控制方式为上位机çè总线çè下位机。目前该机器人具有速度及位置闭环，能翻越简单障碍，具有一定的自主反应能力。图3GMDAiS国防科大RoboSnake，这是国内最早报道的蛇形机器人，最初为二维结构，依靠从动轮前进，长约1.5米，重约3Kg。如图4所示：图4国防科技大学roboSnake同时，中科院沈阳自动化所蛇形机器人也开展了机器蛇的研究。§1.2结构设计机器蛇设计有三维结构与二维结构之分，采用三维结构虽然会使某些自由度在运动过程之中显得冗余，但是为了适应地形的变化，充分体现生物蛇的运动特点，采用三维设计是势在必行的。为了减小机器蛇的着地面阻力，机器蛇至少一个面应该是平整的，生物蛇也具有这样的特点。另外，为了采用尽可能少的零件，我们将壳体设计成了一个四方体，在各个平面上特性完全相同。机器蛇采用舵机为动力源，所以设计舵机的安装方式也是一个重要的方面。机器蛇是一个重复性的机构，是多个相同的关节的装配体。壳体设计图如下：舵机尺寸如下：s9151尺寸:40.0×20.0×36.6mms3003尺寸：40.4*19.8*36mm舵机安装方式连接方式设计：为了减小机器蛇前进方向的摩擦力（有利），而加大躯干纵向的摩擦力（有害），我们计划采用从动轮机构，由于考虑到从动轮方案的不确定性，即从动轮可能不可行，我们计划将从动轮机构与壳体分开设计。从动轮机构设计如下：总装配示意图：SolidSnake利用垂直和水平方向正交的关节来拟和蛇类生物柔软的身体，每两个正交的关节组成一个单元体，每个单元体相当于一个万向节，具有两个方向的自由度，整体形成一个高冗余度的结构体。这样的机构设计使蛇体具有向任何方向弯曲的能力。实物照片如下：SolidSnake采用模块化设计，每个关节均可很容易进行拆卸，用户可以根据不同的需要增减单元体的数量。教学演示用的SolidSnake蛇形机器人为方便讲解，关节数量设为6节。SolidSnake具体指标：关节节的长度110mm，单元体长度为220mm，蛇体的总长度是220*6＝1320mm。由于舵机自身的约束条件限制，每个舵机的转角范围限制在－90～＋90度。为了减少机器蛇的运动中的摩擦阻力，在机器蛇两侧安装有从动轮，实现了蛇体的平稳游动。采用轻型耐磨塑料制造蛇形机器人的主要结构，在很大程度上减轻了蛇体的重量。总结：机器蛇的设计达到了机器蛇的功能要求，具备模块化，装配方便的特点。§2.2运动研究一、蛇如何运动蛇没有脚，怎么能爬行呢？实际上，蛇不仅能爬行，还爬行得相当快。蛇之所以能爬行，是由于它有特殊的运动方式：（1）、婉蜒运动所有的蛇都能以这种方式向前爬行。爬行时，蛇体在地面上作水平波状弯曲，使弯曲处的后边施力于粗糙的地面上，由地面的反作用力推动蛇体前进，如果把蛇放在平滑的玻璃板上，那它就寸步难行，无法以这种方式爬行了，当然，不必因此为蛇担忧，因为在自然界是不会有像玻璃那样光滑的地面的。（2）、直线式蠕动利用脊柱从头传到尾的间歇收缩，毒蛇能够笔直的前行，如同蚯蚓一样。速度可达几cm/s.它是身躯比较庞大的蛇在非紧急情况下，在比较平的地面上行进的较佳形式。（3）、螺旋式滑动比较适用于比较软的地质，如沙子。角蝰最大速度可达到3km/h，约80厘米每秒。如图：（4）、蠕动在竖直平面的波动，优点是效率较高，且与地面的相对滑动较小，但存在稳定性问题。（5），横波运动大多数蛇利用这种运动方式，身体的每一部分都非常成功的经过地面上的同一点，没有静止的接触。肌肉的收缩与伸长形成的波从头传递到尾部。比较适用于凸凹不平的地面。一条曼巴（非洲一种树蛇）在43米的距离内的最大速度是11km/h。（6）、眼镜蛇式运动在水平平面的波动和伸缩运动的合成，效率很高，但是与地面的相对滑动也很大。在人们的印象里，蛇似乎是爬得很快的，所以有“蜈蚣百足，行不如蛇”的说法。其实大多数种类的蛇，每小时只能爬行8里路（4km/h）左右，和人步行的速度差不多。但也有爬行较快的，身体细长的花条蛇，每小时能爬行10～15公里，而爬行最快的恐怕要算非洲一种叫做曼巴的毒蛇了，每小时可爬行15～24公里，可是它们只能在短时间内爬得这样快，不能长时间以这种速度爬行。因此，即使遇到会追人的毒蛇，人也是来得及避开的。人们之所以有蛇跑得很快的印象，那是由于一刹那间蛇的爬行速度确实是比较快的缘故，尤其是蛇受惊逃走的那一瞬间。二、蛇运动的波动学解释及机器蛇实现通过对蛇的运动方式的分析可见：无论哪一种运动方式，蛇的运动都可以看成是一列行波的传递。lYZ平面沿Z方向－竖直平面波，实现蠕动等运动方式；lXZ平面沿Z方向－水平平面波，产生蜿蜒运动等运动方式；lYZ、XZ平面沿Z方向—复合空间波，产生螺旋侧移等复杂运动方式；鉴于机器蛇实现的便利性，我们选择了蠕动的运动方式，假设是一类正/余弦波的传递，那怎么利用机器蛇来实现这一运动形式呢？换句话说，怎样用多杆系的结构体来拟和一列波呢？考虑简单的运动模式－蠕动lX(z)=0Y(z)=ASin[2Л×（χ/λ+t/T）+ψ]假定机器蛇的关节沿生成的轨迹运动，则可用“截圆法”求取各个关节点。再利用余弦定理求取关节角。三、例子：通过编写程序，设定周期离散数为64，我们得到了一个关节一个周期内的角度数据，数据为64个角度值，其余关节的数据与此关节的数据是一样的，只是有相位差而已，如下：charangle_x_r1[64]={90,86,82,79,75,71,67,64,60,56,52,49,45,41,37,34,30,34,37,41,45,49,52,56,60,64,67,71,75,79,82,86,90,94,97,101,105,109,112,116,120,124,127,131,135,139,142,146,150,146,142,138,135,131,127,124,120,116,112,108,105,101,97,94};设定相位差为8，则八个关节为一个波长，数据的传输如下表：关节一二三四五六七八……T19060306090120150120……T28656346494124146116……T38252376797127142112……T479494171101131138108……T575454575105135135105…………………………………………………………T6210171414979109139131……T639767375282112142127……T649464345686116146124……通过给每个关节角度序列，或者只给第一关节，延时后顺次传给其后相邻的关节，便可实现机器蛇的运动。大家可以编写程序实现蠕动运动数据的提取。（不限编程语言（C/C++/VB）等）§1.4控制系统设计一．控制系统通过机构设计和运动分析，我们可以得到机器蛇控制系统要进行以下工作：建立运动模式库，用来存储各种运动模式的数据，接受控制命令后，选择制定的运动模式对应的数据，更新运动参数，而后需要将运动数据依次传送给各关节，通过末端控制器将关节数据转化为关节执行器——舵机的运动。即控制系统的任务如下：1)与上位机（遥控器或者PC）通讯，接受运动指令；2)将运动数据传送给末端控制器；3)末端运动控制器控制末端执行器执行指令；（一）.系统构架探讨：考察国内外已知各仿生机器人研究者的控制方案，基本可以分为以下三种：1）主控计算机中央控制，拓扑结构为星形，采用基于“命令宏”的开环/闭环部分控制。这种方案结构较简单，没有下位机，上位机直接控制电机以及处理传感器反馈，优点是所有关节相互独立，互不影响，但是这种控制律