盧振利 謝亞飛 張國棟 張 凱 劉 超 馮大宇 李 斌

(*常熟理工學院電氣與自動化工程學院 常熟 215500)(**中國科學院沈陽自動化研究所機器人學國家重點實驗室 沈陽 110014)(***常熟理工學院汽車工程學院 常熟 215500)(****中國礦業(yè)大學信息與電氣工程學院 徐州 221116)(*****阿威羅大學電子和信息通信工程研究所 阿威羅 3810-193，葡萄牙)(******大連國通電氣有限公司 大連 116650)

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蛇形機器人伸縮運動性能研究①

盧振利②********謝亞飛*****張國棟******張 凱***劉 超*馮大宇*李 斌**

(*常熟理工學院電氣與自動化工程學院 常熟 215500)(**中國科學院沈陽自動化研究所機器人學國家重點實驗室 沈陽 110014)(***常熟理工學院汽車工程學院 常熟 215500)(****中國礦業(yè)大學信息與電氣工程學院 徐州 221116)(*****阿威羅大學電子和信息通信工程研究所 阿威羅 3810-193，葡萄牙)(******大連國通電氣有限公司 大連 116650)

為研究蛇形機器人常用的典型步態(tài)——伸縮運動的性能與不同摩擦系數(shù)環(huán)境的關系，分別用單向被動輪和雙向被動輪設計正交串聯(lián)蛇形機器人地面接觸機構。通過蛇形曲線公式控制蛇形機器人垂直關節(jié)節(jié)律實現(xiàn)伸縮運動。通過實驗得出了摩擦系數(shù)對單向被動輪和雙向被動輪接觸面型蛇形機器人伸縮運動步態(tài)的影響及對應的蛇形曲線參數(shù)的調節(jié)策略。

蛇形機器人, 單向被動輪, 雙向被動輪, 摩擦系數(shù), 伸縮運動

0 引 言

蛇形機器人是模仿蛇細長無肢的身體設計而成。重心低以及和地面有多個接觸點，使蛇形機器人在環(huán)境適應性方面優(yōu)于輪式機器人和腿式機器人[1]。蛇形機器人的研究在國內外引起高度關注，由于機構設計、控制方法日趨成熟，因而蛇形機器人應用成為必然[2,3]。蛇形機器人在不同環(huán)境中的運動性能實驗和分析是實現(xiàn)蛇形機器人實用化的基石。研究環(huán)境摩擦系數(shù)和蛇形機器人運動性能關系的工作往往集中在重單體在不同控制策略下的運動效果。 關于伸縮運動，國內中科院沈陽自動化研究所從仿生學角度探究了蛇在不同環(huán)境下的伸縮運動，給出了實現(xiàn)垂直伸縮和水平伸縮運動的機理和運動產(chǎn)生方法，但未給出具體環(huán)境下伸縮運動的性能。該研究從概念上給出了單線被動輪實現(xiàn)機理，而未進行相關機構設計[4]。

本研究使用單被動輪和雙向被動輪分別構成了正交串聯(lián)蛇形機器人的接觸結構。通過蛇形曲線控制該機器人實現(xiàn)伸縮運動步態(tài)，研究了不同地面與接觸機構摩擦系數(shù)對步態(tài)的影響及步態(tài)參數(shù)調節(jié)策略，而且對使用單向輪和雙向輪的蛇形機器人在進行伸縮運動中的性能進行了研究。

1 蛇形機器人接觸機構設計

蛇可以用不同的節(jié)律運動來適應環(huán)境，例如在樹干上通過節(jié)律伸縮自己的軀體，實現(xiàn)攀爬，如圖1所示。典型的伸縮運動如圖2所示。

本設計中蛇形機器人本體采用正交串聯(lián)關節(jié)構成，如圖3所示。通常采用雙向被動輪，如圖4所示，改變縱橫向摩擦比實現(xiàn)蜿蜒運動。

圖1 蛇在樹干上運動

圖2 典型的伸縮運動

圖3 蛇形機器人

圖4 雙向被動輪接觸機構

圖5 單向被動輪接觸機構

圖6 蛇形機器人

相較于雙向輪既可順時針轉動也可逆時針轉動，單向輪卻只能沿其中一種方式轉動，更貼近生物蛇的鱗片單向制動特性。

二者均采用同樣的控制策略來實現(xiàn)伸縮運動?？刂葡到y(tǒng)采用Arduino單片機進行運動規(guī)劃，之后通過串口把垂直關節(jié)的轉動角度發(fā)到電機控制器，電機控制器直接驅動各個電機轉動，帶動機器人本體實現(xiàn)設定的動作，見文獻[5]。

2 伸縮運動控制

2.1 節(jié)律生成

伸縮運動的節(jié)律和蜿蜒運動類似，換言之，蜿蜒運動是水平關節(jié)擺動，帶動身體運動，伸縮運動是垂直關節(jié)的運動帶動身體運動。二者的節(jié)律是相同的，只是作用的對象空間不同。同樣可以采用日本東京工業(yè)大學Hirose教授提出的蛇形曲線公式[6]控制機器人實現(xiàn)伸縮運動，對應的垂直電機節(jié)律公式如下：

βi(s)=-2αsin(knπ/N)[sin(2knπs/L+2knπi/N)]

(1)

其中βi(s)為第i個垂直關節(jié)電機轉角；i=1,…8,為電機號；π=3.1415926；α為起始彎角；kn為S形曲線個數(shù)；L為機器人總長度；N為機器人總節(jié)數(shù)。改變變量s的變化率δs可以改變蛇形機器人的前行速率。

2.2 α變化對蛇形機器人伸縮運動的影響

改變式(1)中參數(shù)α和kn的值，研究該參數(shù)對蛇形機器人伸縮運動波形和運動的影響。選取接觸機構為雙向被動輪的蛇形機器人來做此實驗。在實驗背景中選取一塊豎直放置的長木板作為參考對象，板上兩條豎直紅線之間的距離為1m作為蛇形機器人實驗運行參考距離。實驗如下：

(1)當α=0.1、kn=2時，蛇形機器人以2個S波形進行伸縮運動，前進速率約為0.0045m/s, 實驗過程如圖7所示。

(2)當α=0.2、kn=2時，前進速率約為0.011m/s，實驗過程如圖8所示。

首先使用乙醚將實驗大鼠麻醉，選定胸正中為手術區(qū)域，去毛備皮消毒，做好關閉胸腔的荷包縫合準備，之后沿鎖骨正中線做2 cm縱向切口切開皮膚，在第四或第五肋間將大鼠胸部肌肉進行鈍性分離，使胸骨、肋骨充分暴露，將胸腔打開，心包剪開，在胸廓輕輕按壓以將大鼠心臟擠出。使用無創(chuàng)性縫合線在動脈圓錐與左心耳之間冠狀靜脈處進行冠狀動脈的結扎，之后將心臟迅速放回原位，將胸腔氣體擠出，并迅速將縫合線拉緊，將胸腔逐層進行關閉，將外皮縫合好，保證開胸時間＜60 s。

(3)當α=0.3、kn=2時，前進速率約為0.018m/s,實驗過程如圖9所示。

(a) t=0s

(b) t=90s

(c) t=220s

(a) t=0s

(b) t=30s

(c) t=95s

(a) t=0s

(b) t=30s

(c) t=55s

(4)當α=0.4、kn=2時，實驗過程如圖10所示。

(a) t=0s

(b) t=23s

(c) t>24s

根據(jù)上述改變蛇形曲線參數(shù)α的實驗，在機械結構允許且能完整實現(xiàn)伸縮運動的前提下，改變變量α的值，從而可以改變蛇形機器人的S形曲線的弧度，α越大，S波幅值越大，運動速率越大，蛇形機器人的前進速率V與起始彎角α的關系曲線如圖11所示。其中α=0.4該機器人伸縮運動出錯，因為硬件條件限制使α值再加大時將導致機器人出現(xiàn)故障及原件損壞。所以α=0.4可看作該蛇形機器人樣機伸縮運動的最大起始彎角。

圖11 α與V關系曲線

2.3 kn變化對蛇形機器人伸縮運動的影響

改變蛇形曲線參數(shù)kn的值，從而改變了蛇形機器人體內S波個數(shù)。通過觀察不同S波個數(shù)形態(tài)下的蛇形機器人伸縮運動，得出只在變化蛇形曲線參數(shù)kn的情況下，蛇形機器人伸縮運動的前進速率V與kn的關系。實驗如下：

(1)當kn=1.5、α=0.2時，蛇形機器人以1.5個S波形進行伸縮運動，前進速率約為0.029m/s, 實驗過程如圖12所示。

(2)當kn=2、α=0.2時，蛇形機器人以2個S波形進行伸縮運動，前進速率約為0.011m/s, 實驗過程如圖13所示。

(a) t=0s

(b) t=20s

(c) t=35s

(a) t=0s

(b) t=30s

(c) t=95s

(3)當kn=2.5、α=0.2時，蛇形機器人以2.5個S波形進行伸縮運動，前進速率約為0.0095m/s, 實驗過程如圖14所示。

(a) t=0s

(b) t=60s

(c) t=105s

從變化蛇形曲線參數(shù)kn的伸縮運動實驗中可看出，由于自身機構的限制，在kn變化合理的范圍內，蛇形機器人伸縮運動的前進速率隨著體內S波的增大而減小。kn與前進速率V的關系曲線如圖15所示。

圖15 kn與V的關系曲線

3 伸縮運動與摩擦系數(shù)關系實驗

實驗設定機器人伸縮運動行進相同距離，采用單向被動輪型和雙向被動輪型蛇形機器人，在相同的控制指令下完成對應的動作，進行運動性能對比。

3.1 摩擦系數(shù)對蛇形機器人伸縮運動步態(tài)的影響

研究了蛇形機器人伸縮運動與摩擦系數(shù)之間的關系，選取一組蛇形曲線參數(shù)，如表1所示。

表1 蛇形曲線參數(shù)表

應用具有不同摩擦系數(shù)材質做成的膠帶粘附在被動輪表面，模擬不同摩擦系數(shù)環(huán)境來進行實驗。實驗中離豎直木板較近的是單向輪蛇，較遠的則是雙向輪蛇，具體實驗如下所示：

實驗一 透明膠帶貼合：此時μ(滾動)=0.0487，實驗過程如圖16所示。

(a) t=0s

(b) t=20s

(c) t=38s

(a) t=0s

(b) t=20s

(c) t=35s

(a) t=0s

(b) t=20s

(c) t=30s

實驗二 橡膠膠帶：此時μ(滾動)=0.0769，實驗過程如圖17所示。

實驗三 鐵砂膠帶：此時μ(滾動)=0.1154，實驗過程如圖18所示。

據(jù)上述不同摩擦系數(shù)對伸縮運動影響實驗，得出數(shù)據(jù)如表2所示。

μV(m/s)類型0．04870．07690．1154雙向輪0．01430．01470．0152單向輪0．02630．02860．0333

3.2 實驗分析

上述實驗表明：隨著摩擦系數(shù)μ的增大，蛇形機器人的前行速率V增大。

基本結論如下：蛇形伸縮運動雙向輪蛇形機器人前行摩擦系數(shù)μ與速率V之間的關系如圖19所示；單向輪蛇形機器人摩擦系數(shù)μ與速率V之間的關系如圖20所示。

實驗表明：單向被動輪型接觸結構的蛇形機器人的運動速率在相對應的摩擦系數(shù)下要高于雙向被動輪型蛇形機器人。

圖19 雙向輪μ與V關系曲線

圖20 單向輪μ與V關系曲線

4 結 論

本文通過正交連接關節(jié)構成蛇形機器人，針對單向被動輪和雙向被動輪作為接觸機構分別進行了伸縮運動性能研究。通過蛇形曲線公式控制蛇形機器人伸縮運動的垂直關節(jié)運動節(jié)律。通過實驗研究了蛇形曲線起始彎角α和S波個數(shù)kn對蛇形機器人伸縮運動的影響；粘貼不同介質，改變被動輪與地面間的摩擦系數(shù)，針對不同摩擦系數(shù)環(huán)境對蛇形機器人伸縮運動進行實驗，得出摩擦系數(shù)μ與伸縮運動速率V與之間的關系。

[1] 葉長龍，馬書根，李斌等. 蛇形機器人的轉彎和側移運動研究. 機械工程學報，2004,40(10):119-128

[2] 劉華，顏國正，丁國清．仿蛇變體機器人運動機理研究．機器人，2002，24(2)：154-158

[3] 張玲玲，曲澤超.蛇形機器人的機構設計及運動分析. 機電工程，2012,29(5):512-515

[4] 劉金國，王越超，李斌等. 蛇形機器人伸縮運動仿生研究. 機械工程學報，2005,41(5):108-113

[5] 盧振利,劉超,謝亞飛等. 蛇形機器人的設計及摩擦力對其運動性能影響的分析, 2015,3: 293-299

[6] Hirose S. Biologically Inspired Robots (Snake-like Locomotor and Manipulator). Oxford: Oxford University Press， 1993

Study on concertina locomotion performance of a snake-like robot

Lu Zhenli********, Xie Yafei*****, Zhang Guodong******, Zhang Kai***, Liu Chao*, Feng Dayu*, Li Bin**

(*School of Electrical Engineering and Automation, Changshu Institute of Technology, 215500 Changshu)(**State Key Laboratory of Robotics, Shenyang Institute of Automation, CAS, Shenyang 110014)(***School of Automotive Engineering, Changshu Institute of Technology, Changshu 215500)(****School of Information and Electrical Engineering China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116)(*****Institute of Electronics and Telematics Engineering of Aveiro,University of Aveiro, Aveiro 3810-193, Portugal)(******Dalian Guo Tong Electric Co., LTD, Dalian 116650)

In order to study the relationship between the performance of a snake-like robot’s concertina locomotion and the friction coefficient, the ground contact mechanisms of orthogonal series snak-like robots were designed by using the unidirectional passive wheel and the bidirectional passive wheel, respectively. The serpenoid curve formula was used to control the rhythm of vertical joints to realize the concertina locomotion. The influence of the frictional coefficient on the concertina locomotion gait of the robot using unidirectional passive wheel and the robot using bidirectional passive wheel, as well as the corresponding parameter adjustment strategies of the serpenoid curve formula, were found through aseries of experiments.

snake-like robot, unidirectional passive wheel, bidirectional passive wheel, frictional coefficient, concertina locomotion

10.3772/j.issn.1002-0470.2016.04.008

①國家自然科學基金(61333016)，機器人學國家重點實驗室開放基金(2014-O08)，校新引進教師科研啟動項目(XZ1306)和葡萄牙科技部基金(CIENCIA2007)資助項目。

2015-08-10)

②男，1974年生，博士，碩士生導師；研究方向：機器人智能控制；聯(lián)系人，E-mail: zhenlilu@cslg.cn(