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1叶片轮式蛇形机器人第一章前言蛇，属爬行纲，蛇亚目，脊椎动物，大部分是陆生，也有半树栖、半水栖和水栖的。蛇的行走千姿百态，或直线行走或弯蜒曲折而前进，这是由蛇的结构所决定的：蛇全身分头、躯干及尾三部分，蛇没有四肢，全身被鳞片遮盖。蛇的运动方式：一、弯蜒运动：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，由地面的反作用力推动蛇体前进；二、履带式运动：蛇没有胸骨，它的肋骨可以前后自由移动，肋骨与腹鳞之间有肋皮肌相连。当肋皮肌收缩时，肋骨便向前移动，带动宽大的腹鳞依次竖立而稍稍翘起，翘起的腹鳞就像踩着地面，但这时只是腹鳞动而蛇身没有动，接着肋皮肌放松，腹鳞的后缘施力于粗糙的地面，靠反作用把蛇体推向前方，这种运动方式产生的效果是使蛇身直线向前爬行，就像坦克；三、伸缩运动：蛇身前部抬起尽力前伸，接触到支持的物体时，蛇身后部即跟着缩向前去，然后再抬起身体前部向前伸得到支持物，后部再缩向前去，这样交替伸缩，蛇就能不断地向前爬行，在受到惊动时，蛇身会很快地连续伸缩，加快爬行的速度，给人以跳跃的感觉。蛇由于自身形状和运动特点使其适于在狭小空间和狭长管道以及各种地面(如硬地、沙地、软土等)上运动，蛇的多种运动形式及生理特点使它适应广泛的地理和自然环境。1.1研究蛇形机器人的背景和意义2000年以来，仿生机器人学正在机器人领域占有越来越重要的位置。蛇形机器人是一种模仿蛇的运动机理和行为方式研制出的机器人，是近年来兴起的仿生机器人的一个新的分支。蛇形机器人区别于传统的利用轮、腿或履带移动的机器人。它模仿蛇的动作,稳定性好、横截面小、高柔性，这些特点使得蛇形机器人能够进入因地震或火灾等灾害而倒塌的建筑物内部、原子反应堆和石油化工等领域的装置内部以及其他人们不能涉足的危险场所执行搜寻和检测维护任务，不仅使人更安全,也使探测、救援或维护更有效。2其模块化结构和高冗余度非常适应于条件非常恶劣而又要求高可靠性的战场、外层空间等环境，可用于战场上的扫雷、爆破，空间站的柔性机械手臂，通过能力很强的行星地表探测器等。1.2国内外研究现状随着人们对蛇形机器人的认识，世界各国都开展了蛇形机器人的研究并研制出多样机。日本的Hirose教授对蛇的运动形式有较深的研究，研制出了第一台蛇形机器人。他领导的HiroseFukushimaLab实验室研制开发的水中蛇形机器人，能够在水下以蛇形方式自由地游泳，和真蛇相比，动作惟妙惟肖，见图1-1；他们研制的另一种蛇形机器人长1.2米，由3节组成，用6个履带爬行，可以远程遥控，操作者可根据机器人捕捉到的画面反映的具体情况发出指令，让机器人停止、前进和改变方向，见图1-2。图1-1日本水中蛇形机器人图1-2日本救援蛇形机器人美国宇航局于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，其第三代蛇形机器人如图1-3所示，它的主体部分由约30个相同的类似于铰链的模块一起链接而成。这些模块由一个“中心脊骨”连接在一起，共同实现不同的功能。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。它们还可以盘绕和翻转以爬上和翻越障碍物。蛇形机器人的框架由聚碳酸酯材料制成，表面覆盖一层人工皮以防止火星环境的侵害。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～S7七代蛇形机器人，图1-4为S5，图1-5为S7。S5已经达到相当高的3水平，特点是：各个关节形状尺寸不同，高度模拟生物蛇；但为二维结构，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。图1-3美国宇航局的SnakeBot图1-4德国Gavin.HS5图1-5德国Gavin.HS7挪威SINTEF研究基金会的波尔·利尔杰贝克等人日前研制成功了一种形似蟒蛇的消防机器人。这种被称为“安娜·康达”的蛇形机器人长度为3米，重量约70公斤，见图1-6。它可以与标准的消防水带相接并牵着它们进入消防队员无法到达的区域进行灭火。“安娜·康达”的行动非常灵活，可以非常迅速地穿过倒塌的墙壁，代替消防员进入高温和充满有毒气体的危险火灾现场。该机器人的能量供给方式也非常奇特，它能够直接从消防水带中获取前进的动力。“安娜·康达”全身共安装有20个靠水驱动的液压传动装置，由于每一个传动装置的开关都由计算机进行精确控制，使得机器人能够像蛇一样灵活的移动。近年来，国内也开展了对蛇形机器人的研究工作。国防科大的Robosnake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。目前发展为三维结构，见图1-7。中国科学院沈阳自动化所开发出了一种实现三维空间运动的蛇形机器人，采用正交串联结构，可以完成蠕动前进、游动前进、滚转等运动，见图1-8。4图1-6挪威“安娜·康达”图1-7国防科大RoboSnake图1-8中科院沈阳自动化所蛇形机器人1.3设计目的设计一种具有新型运动机构的蛇形机器人，结构简单，能够提供超越目前大多数蛇形机器人的越障能力—能越过自身高度3倍以上的障碍物；运动速度快，结构、控制简单；能够进入狭小空间执行任务，攀爬楼梯，在崎岖的路面运行；有较强的负重能力，能够搭载各种传感器，用于搜救、侦察、反恐、进入危险区域探测等。5第二章总体方案设计2.1方案选择蛇形机器人已出现了多种结构形式，并实现了多种运动模式。蛇形机器人都是由多节组成，一般每个关节由两个舵机驱动，关节能够上下、左右运动。按照结构形式的不同，蛇形机器人可以分为两类：一、由刚性杆组成的链状结构。目前此类蛇形机器人的代表机构有柔性关节单元蛇形机构及二自由度模块组成的蛇形机器人机构，见图2-1。这类蛇形机器人利用关节来产生驱动力，运动时多个关节舵机由处理器控制，协调动作形成仿蛇的曲线运动产生前进的动力，这种结构在平地能够达到较好的运动效果，但是在复杂地面（如乱石堆等）却不能有效的前进，原因在于这种结构的蛇形机器人身体必须不断扭动才能产生驱动力，身体摆动幅度大，当身体周围空间有障碍物限制其扭动时，便不能产生足够的驱动力使自身前进。所以适合在平坦的地面运动，能实现翻滚动作、卷住柱状物蜿蜒而上、穿上外衣能在水中游泳等，缺点是运动适应自然环境的能力不强且控制复杂，不适合在凹凸不平的自然环境中工作。二、带有轮子或者履带的模块串连，运动直接由轮子、履带驱动或蛇体内的行波传播产生。目前此类蛇形机器人的代表机构有主动索状机构和变几何桁架结构，见图2-2。图2-1链状蛇形机器人图2-2轮状蛇形机器人6由于生物蛇鳞片和关节的数目相当庞大，蛇类生物可以近似看作是一种“没有关节、柔性的”运动体。英国Heriot-Watt大学的G.Robinson和J.B.C.Davies基于生物蛇高度灵活性和机动性，进一步提出了连续机器人的设计思想，并通过不同形式和结构的液压驱动“人工筋”研制出不包含刚性联接和扭转关节的机器蛇系统，该系统有较好的环境适应性，但也带来了体态控制困难、结构复杂和难以微型化的问题。在现阶段，要实现完全仿蛇运动的第一类蛇形机器人存在运动不能适应自然环境和控制困难等问题。蛇之所以没有足也能运动，是因为它的皮肤和地面产生了摩擦力，推动自身前进，所以只要能和地面产生推动自身的摩擦力就行，不一定非要模仿蛇的运动方式，要模仿的最主要的是蛇的身体姿态变化能力。综合以上因素考虑，决定选择第二类蛇形机器人进行改进设计。2.2具体的设计方案为了达到设计目的，基本思路是设计一种由轮子演化出来的叶片轮，叶片轮将路面凸起或者小的障碍物卡在两叶片之间，产生很大的摩擦力驱动蛇形机器人前进，越障能力能够大大提高。蛇形机器人设计为5节，共有4个关节，每个关节有两个舵机，通过控制关节处的舵机能够实现蛇形机器人姿态的改变，一个舵机控制关节的上下运动，一个舵机控制关节的左右运动，在关节处还设计了一个旋转轴，每个关节有三个自由度。蛇形机器人的控制采用人为遥控的方式。为了让蛇形机器人能够脱离遥控者视线范围执行任务，在其头部搭载的无线摄像头能够将自身周围环境的图像实时传送到控制一方的显示器上，控制者通过图像控制遥控器，遥控器将控制信号通过无线方式传送给遥控接收器，遥控接收器将控制信号传给主控单片机解码，再控制电机、舵机的动作，实现蛇形机器人运动的遥控控制。流程图如2-3所示。7图2-3蛇形机器人工作流程图8第三章机械部分3.1主要技术指标综合实际应用情况、零件材料情况和现有蛇形机器人的技术指标，确定初步的主要技术指标，见表3-1。表3-1主要技术指标项目长/mm宽/mm高/mm净重/kg最大速度m/s续航时间/h平均功耗/w数据500707010.201小时10采用微型直流减速电机驱动叶片轮，每节机身两个直流减速电机，体积为25mm×12mm×10mm。电压U电机=8V时，负载电流I电机=80mA，负载速度=1rad/sV电机，扭矩1kg/cm，质量5g。关节舵机采用MS533，体积为23mm×12mm×30mm。电压U舵机=5V时，扭矩1.8kg/cm，负载电流I舵机=100mA，质量9g。设叶片轮直径R=70mm，则蛇形机器人最大运动速度：=3.14=3.147cm1rad/s=21.98cm/sVRV蛇电机（式3.1）共有10个直流减速电机和8个舵机，最大功率为：+=8V80ma10+5V100ma8=12.4PUINUINW电机电机电机舵机舵机舵机（式3.2）由于直流减速电机和舵机不可能全部同时工作，所以平均功耗约为10W。3.2叶片轮设计为确保蛇形机器人上下两面都不接触到地面，两面都能行走，设计叶片轮直径为70mm，安装在4mm高的机身上。根据直流减速电机和舵机的体积参数，确定机身的长×宽×高为90mm×55mm×15mm。叶片轮三维设计图如图3-1所示，机身三维设计图如图3-2所示。9图3-1叶片轮三维设计图图3-2机身三维设计图3.3叶片轮的材料和结构叶片轮的叶片采用厚度为0.28mm、宽为7mm的闹钟发条制作，优点是重量轻，弹性好。将卷曲的钟表发条拉直，并截成3.5cm的小节，将叶片顶部弯成一定的弯度，以防止前进时将杂物卷起卡住叶片轮，制作完成后的叶片如图3-3所示。图3-3叶片图3-4叶片轮连接叶片和直流减速电机的轴套采用6mm厚的铝板线切割而成，用钻头在设计位置钻孔，将叶片插入后用螺栓固定，并套上橡胶管增加摩擦力，制作完成后的叶片轮如图3-4所示。直流减速电机的输出轴呈扁平状，故将铝质轴套中心孔加工成对应的形状以保证直流减速电机与叶片轮的紧密连接，叶片轮的安装如图3-5所示。10图3-5叶片轮安装图3.4机身的结构和安装蛇形机器人的机身采用1mm厚的铝板制作，强度足够且加工容易。结构见图3-6，铝板机身及直流减速电机的安装如图3-7所示。图3-7铝板机身及直流减速电机安装3.5舵机的选择与改装蛇形机器人关节设计采用舵机控制。从节约成本和综合性能的角度考虑，选择航模上使用的数码舵机MS533，其各项技术指标基本满足要求，但这种舵机只有一个动力输出轴，而机器人舵机需要两根轴才能固定，所以需要改装。改装后的舵机如图3-811所示。图3-8改装完成后的舵机3.6关节处的装配舵机动力输出采用2mm厚度铝片连接，舵机连接片结构如图3-9所示。图3-9舵机连接片结构图3-10三自由度关节处的装配将舵机连接片安装到舵机动力输出轴上，并用螺栓通过连接片中间的轴承和固定孔将两个连接片固定在一起。安装上复位弹簧，并调整松紧度，使蛇身在运动时能产生扭转，起到减震作用，同时让叶片轮能更好地接触地面，得到更好的运动效果。关节处的装配如图3-10所示。12第四章控制部分4.1无线遥控系统设计该系统主要包括发射机电路和接收机电路。其中，发射机电路采用多个可变电位器将控制者的控制动作转变为模拟控制信号，发射端的单片机将输入的多路模拟信号经过A／D转换后变为数字信号，再进行编码并由串行口送到发射模块发射；接收机电路的任务则是把接收到的信号进行适当放大并从中解调出编码信号，然后通过接收端的单片机将该信号转换成相应的舵机控制信号和电动机驱