聶 宇，張 琢，林 蕓

(貴陽學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，貴州貴陽550005)

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一種仿生蛇形機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計

聶 宇，張 琢，林 蕓

(貴陽學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，貴州貴陽550005)

蛇形機(jī)器人能夠在復(fù)雜的環(huán)境中運(yùn)動。通過對蛇的身體結(jié)構(gòu)、運(yùn)動特點(diǎn)進(jìn)行分析，對其骨架進(jìn)行仿真抽象，設(shè)計了一種采用行星齒輪差動結(jié)構(gòu)且具有三自由度的仿生蛇形機(jī)器人。此種結(jié)構(gòu)蛇形機(jī)器人利用舵機(jī)以不同速率轉(zhuǎn)動驅(qū)動行星齒輪差動耦合可實(shí)現(xiàn)俯仰、偏航、回轉(zhuǎn)等運(yùn)動，配備以傳感器感知外界環(huán)境，具備驅(qū)動能力強(qiáng)、傳動精度高等優(yōu)點(diǎn)。通過UG建立了相應(yīng)的虛擬樣機(jī)并分析得出了臨界轉(zhuǎn)角等技術(shù)參數(shù)。

蛇形機(jī)器人 結(jié)構(gòu)設(shè)計 骨架抽象 行星齒輪差動結(jié)構(gòu)

0 引言

蛇是世界上無四肢動物中最龐大的一類，分布在世界上除北極、南極外的各個地方。蛇的身體具有低重心、高冗余度、高魯棒性、多自由度、良好的穩(wěn)定性等特點(diǎn)，具有復(fù)雜多變的運(yùn)動方式。仿生蛇形機(jī)器人是一種在運(yùn)動機(jī)理上高度模仿蛇的新型機(jī)器人，其主要靠蛇體和地面之間的摩擦力作用來驅(qū)動蛇體的運(yùn)動，而不需要額外的驅(qū)動輪、動力源或牽引車來帶動蛇體運(yùn)動。仿生蛇形機(jī)器人可以應(yīng)用于戰(zhàn)爭偵查、管道疏通、傷員搜救、醫(yī)療、航天等領(lǐng)域。

國外蛇形機(jī)器人研究技術(shù)較為成熟。日本東京工業(yè)大學(xué)的Shiego Hirose研制出可以在地面實(shí)現(xiàn)蜿蜒曲線運(yùn)動的ACM系列蛇形機(jī)器人樣機(jī)[1-2]；德國GMD 實(shí)驗(yàn)室研制出了共六個模塊，有水平方向和豎直方向兩個自由度，從而可以實(shí)現(xiàn)三維空間運(yùn)動的GMD -Snake1[3]。國內(nèi)蛇形機(jī)器人技術(shù)起步較晚，但發(fā)展十分迅速。上海交通大學(xué)的顏國正、崔顯世研制了我國第一條蛇形機(jī)器人樣機(jī)[4]；中科院沈陽自動化研究所已研制出兩代功能樣機(jī)，其第一代功能樣機(jī)采用模塊化設(shè)計，每個模塊具有2自由度[5]；第二代功能樣機(jī)巡視者Ⅱ具有三自由度[6]。國內(nèi)還有哈爾濱工業(yè)大學(xué)、華南理工大學(xué)等先后投入到對蛇形機(jī)器人的研究[7-8]。

1 蛇形機(jī)器人的整體方案

在設(shè)計之初需對蛇形機(jī)器人進(jìn)行整體方案設(shè)計(圖1)：首先，對生物蛇進(jìn)行身體結(jié)構(gòu)分析，了解其運(yùn)動方式、運(yùn)動特點(diǎn)。其次，通過對常用結(jié)構(gòu)設(shè)計方案進(jìn)行比較，設(shè)計出合理高效的單元模塊機(jī)械結(jié)構(gòu)。再次，選擇合適的驅(qū)動方案，選取好舵機(jī)并采用模塊化的設(shè)計方式簡化設(shè)計過程，節(jié)約成本也便于維護(hù)。最后，對蛇形機(jī)器人進(jìn)行總體設(shè)計，得出相應(yīng)的蛇形機(jī)器人技術(shù)參數(shù)。

圖1 整體設(shè)計方案簡圖

1.1 蛇形機(jī)器人的組成結(jié)構(gòu)

仿生蛇形機(jī)器人由蛇頭、蛇身、蛇尾三個部分組成。蛇身部分是蛇形機(jī)器人的主體結(jié)構(gòu)，它由多個單元模塊串聯(lián)而成，起到保護(hù)機(jī)體、傳遞運(yùn)動的作用；蛇頭部分功能為感知外界環(huán)境，安裝有觸覺傳感器、距離傳感器、力覺傳感器；蛇尾部分安裝有電池提供動力源。

1.2 生物蛇的身體結(jié)構(gòu)分析

蛇的運(yùn)動方式極其獨(dú)特，主要靠蛇體的腹部與地面之間的摩擦產(chǎn)生前行的動力，其運(yùn)動方式多種多樣。蛇的運(yùn)動方式是由蛇的身體結(jié)構(gòu)所決定的，蛇沒有四肢，全身被鱗片所覆蓋，其身體細(xì)長，蛇身分為蛇頭、蛇身和蛇尾三個部分，其中軀干部分有多達(dá)200-400塊脊椎骨，這些脊椎骨前后相連。其中前脊椎骨具有球形凹陷，后脊椎骨具有球形突起，前后脊椎骨形成了一種類似于球形鉸鏈關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)(圖2)[9]。通過球形鉸鏈關(guān)節(jié)周圍肌肉的收縮，關(guān)節(jié)間產(chǎn)生的相對的轉(zhuǎn)動。在機(jī)械領(lǐng)域內(nèi)，我們可以使用球鉸副來代替球形鉸鏈實(shí)現(xiàn)此種運(yùn)動(圖3)[10]。將生物蛇的骨架模型簡單地抽象為一系列由球形鉸鏈連接的桿件組成的簡單模型(圖4)。

圖2 蛇的肌肉骨骼結(jié)構(gòu)圖[9] 圖3 蛇的脊椎骨結(jié)構(gòu)[10]

1-球形鉸鏈；2-脊椎骨圖4 體骨架抽象模型

1.3 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

1.3.1 蛇形機(jī)器人常見結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

現(xiàn)階段科研學(xué)者對蛇形機(jī)器人的設(shè)計方案主要有如下幾種：

(1)平行連接

圖5 設(shè)計方案示意簡圖

平行連接(圖5a)是指組成蛇形機(jī)器人的單元模塊間均以轉(zhuǎn)動副相連，各轉(zhuǎn)動副的軸線互相平行且垂直于縱軸線。其優(yōu)點(diǎn)是單元模塊結(jié)構(gòu)簡單、控制容易、質(zhì)量輕、制造成本低廉。其缺點(diǎn)是只能實(shí)現(xiàn)二維平面內(nèi)的運(yùn)動，單元模塊結(jié)構(gòu)和蛇體的球形鉸鏈關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)相似度也不高。

(2)正交連接

正交連接(圖5b)是指組成蛇形機(jī)器人的單元模塊間仍為轉(zhuǎn)動副，但相鄰轉(zhuǎn)動副的軸線相互垂直，且均垂直于蛇形的縱軸線。這種設(shè)計方案的優(yōu)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)空間的三維平面內(nèi)的運(yùn)動，且結(jié)構(gòu)相對簡單，制造成本也相對低廉。缺點(diǎn)是三維平面內(nèi)的運(yùn)動需要兩個相鄰關(guān)節(jié)間的相互配合，且工作空間不是完整的三維平面。

(3)萬向節(jié)連接

萬向節(jié)連接(圖5c)是指組成蛇形機(jī)器人的單元模塊均以十字萬向節(jié)連接，關(guān)節(jié)的一端能夠向任意方向運(yùn)動。萬向節(jié)連接構(gòu)型具有完整的三維工作空間和良好的空間運(yùn)動靈活性，能滿足復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性要求。但具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難以控制等缺點(diǎn)。

本文綜合平行連接、正交連接、萬向節(jié)連接的優(yōu)缺點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上重新設(shè)計了一種具備3自由度的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，即行星齒輪差動結(jié)構(gòu)(圖5d)。

1.3.2 行星齒輪差動結(jié)構(gòu)

圖6 球形鉸鏈結(jié)構(gòu)簡圖

球形鉸鏈連接是指組成蛇形機(jī)器人的單元模塊間均以球形萬向節(jié)連接，關(guān)節(jié)的一端能夠向任意方向運(yùn)動。球形鉸鏈(圖6)由球鉸蓋、球鉸座、球鉸組成。球鉸蓋和球鉸座組成一個球腔，球鉸鑲嵌在球腔內(nèi)，其中θmax為最大獨(dú)立轉(zhuǎn)角。球形鉸鏈具有易保證加工精度、獨(dú)立轉(zhuǎn)角范圍大、間隙小等優(yōu)點(diǎn)，但由于球形鉸鏈制造成本昂貴，且承力性能不強(qiáng)，控制難度大，常用虎克鉸鏈加一個轉(zhuǎn)動副代替球形鉸鏈[11]。

1-錐齒輪1；2-錐齒輪2；3-錐齒輪3； 4-錐齒輪支撐套； 5-連接架；6-錐齒輪支撐軸圖7 行星齒輪差動耦合機(jī)構(gòu)

本文所設(shè)計的行星齒輪差動耦合結(jié)構(gòu)(圖7)，由三個等距錐齒輪互相耦合，錐齒輪3通過支撐套4固定在支撐軸6上 。2個舵機(jī)通過齒輪組驅(qū)動錐齒輪1和2差動耦合帶動錐齒輪3實(shí)現(xiàn)俯仰與偏航功能 ：當(dāng)兩個舵機(jī)以相同速率同向轉(zhuǎn)動時，兩個傘齒輪驅(qū)動連接架做俯仰運(yùn)動；當(dāng)兩個舵機(jī)以相同速率反向轉(zhuǎn)動時，兩個錐齒輪驅(qū)動連接架做偏航運(yùn)動；當(dāng)兩個舵機(jī)以不同的速率轉(zhuǎn)動時，兩個錐齒輪驅(qū)動連接架做俯仰和偏航的組合運(yùn)動。故此結(jié)構(gòu)可很好的代替虎克鉸功能，且耦合驅(qū)動使得驅(qū)動力更大；齒輪傳動使得傳動精度更高。此結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)的俯仰及偏航2個自由度再加上回轉(zhuǎn)舵機(jī)所能實(shí)現(xiàn)的1個回轉(zhuǎn)自由度，可實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格意義上的3自由度，運(yùn)動空間更大。

1.4 驅(qū)動方案

仿生蛇形機(jī)器人的驅(qū)動方案多樣，有人工肌肉驅(qū)動[12]、電機(jī)驅(qū)動[13]等。目前大多數(shù)采用的是伺服電機(jī)驅(qū)動，本次設(shè)計采用的是舵機(jī)配以減速齒輪組的驅(qū)動方案(圖8)：舵機(jī)轉(zhuǎn)動將力和力矩傳出，經(jīng)由減速齒輪組減速，以提高舵機(jī)的驅(qū)動力和驅(qū)動力矩，就能以較小的驅(qū)動力驅(qū)動整個蛇形機(jī)器人樣機(jī)，保證蛇形機(jī)器人的運(yùn)動功能的實(shí)現(xiàn)。舵機(jī)選取FUTABA公司所生產(chǎn)的FUTABA S9156[14](圖9)型舵機(jī)。此舵機(jī)的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)速快、驅(qū)動力矩大、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊，其主要性能參數(shù)如表1 。

表1 FUTABA S9156型舵機(jī)參數(shù)

2 仿生蛇形機(jī)器人單元結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 模塊化設(shè)計

圖10 蛇形機(jī)器人虛擬樣機(jī)

本次設(shè)計采用模塊化設(shè)計方法，蛇形機(jī)器人只需在單元模塊設(shè)計完成之后將單元模塊進(jìn)行有序組裝即可。模塊化設(shè)計具有三個顯著的特點(diǎn)：通用性、魯棒性和經(jīng)濟(jì)性。通用性主要表現(xiàn)在未知的環(huán)境下，可以感知環(huán)境并做出決策的可重構(gòu)系統(tǒng)以適應(yīng)各種環(huán)境[15]；魯棒性是指可以利用蛇形機(jī)器人的冗余度和全局反饋補(bǔ)償個別單元體的誤差，且還具有修復(fù)能力，當(dāng)某一個單元體失效時，可以將此單元模塊舍棄，并由剩下的單元體代替完成其原有的功能；經(jīng)濟(jì)性是指蛇形機(jī)器人的單元模塊應(yīng)盡量使用相同的零件，由于相同的模塊設(shè)計、加工、制造過程都是相同的，這樣就不需要額外的設(shè)計加工，從而減少了單元模塊的制造成本，達(dá)到控制成本的目的。

2.2 蛇形機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

蛇形機(jī)器人的單元模塊機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計是蛇形機(jī)器人總體設(shè)計的核心部分(圖10)，本次設(shè)計采用到的蛇體單元材料主要有45鋼、40Cr、超硬鋁合金。齒輪的相關(guān)設(shè)計參數(shù)主要由機(jī)械設(shè)計[15]確定，選取的齒輪總傳動比為2，其中舵機(jī)齒輪和懸臂齒輪傳動比為2，懸臂齒輪和傘齒輪傳動比為1，依次確定軸承、傳動軸、支撐軸、齒輪支撐板、軸承座等相關(guān)尺寸。由機(jī)械設(shè)計手冊單行本[16]選取了軸承，之后根據(jù)軸承尺寸設(shè)計傳動軸和支撐軸、連接架、從動輪架、從動輪等尺寸，其中從動輪只起到改變蛇身與地面摩擦系數(shù)的作用。

2.3 蛇形機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)

2.3.1 仿生蛇形機(jī)器人的尺寸及質(zhì)量參數(shù)

蛇形機(jī)器人的單元體尺寸是從回轉(zhuǎn)舵機(jī)轉(zhuǎn)盤到連接架外端面的直線尺寸，所示蛇形機(jī)器人總長度為1 809.1 mm。機(jī)器人的質(zhì)量主要包括機(jī)械結(jié)構(gòu)部分質(zhì)量、舵機(jī)質(zhì)量、緊固件質(zhì)量、控制部分質(zhì)量。其中機(jī)械部分的質(zhì)量所占比重最大，機(jī)械部分質(zhì)量在UG中進(jìn)行三維建模后輸入各個零件的密度之后進(jìn)行質(zhì)量估算。緊固件部分質(zhì)量以200 g計算，控制部分質(zhì)量以300 g計算，仿生蛇形機(jī)器人的總體質(zhì)量約為5.213 3 kg，具體參數(shù)如表2所示。

表2 仿生蛇形機(jī)器人的尺寸及質(zhì)量參數(shù)

2.3.2 相鄰關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動范圍

圖11 蛇形機(jī)器人臨界轉(zhuǎn)角示意圖

本文1.3.2對球形鉸鏈進(jìn)行了闡述，球形鉸鏈中當(dāng)球鉸運(yùn)動到一定程度時會與球鉸蓋發(fā)生碰撞，無法繼續(xù)運(yùn)動，球鉸原始位置到極限位置的轉(zhuǎn)動角度定義為最大獨(dú)立轉(zhuǎn)角θmax。蛇形機(jī)器人的運(yùn)動是由相鄰關(guān)節(jié)間的相對轉(zhuǎn)動從而進(jìn)行驅(qū)動，但是受蛇形機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，相鄰關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動范圍有限，而當(dāng)相鄰關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動角度達(dá)到某一數(shù)值后，相鄰關(guān)節(jié)之間就會發(fā)生相互碰撞，從而影響蛇形機(jī)器人的正常運(yùn)動。如圖11所示，圖中虛線部分代表單元模塊原始狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)部分表示單元模塊即將發(fā)生碰撞時的狀態(tài)，本文將此轉(zhuǎn)動角度稱為臨界轉(zhuǎn)角φ，即∠COD：

(1)

2.4 蛇形機(jī)器人的運(yùn)動控制

本次設(shè)計的蛇形機(jī)器人具有3個自由度：俯仰、偏航和回轉(zhuǎn)。每個單元模型共有3個舵機(jī)，其中2個舵機(jī)通過齒輪組驅(qū)動行星齒輪差動耦合實(shí)現(xiàn)俯仰與偏航功能，另1個舵機(jī)實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)功能。由單片機(jī)協(xié)調(diào)控制所有舵機(jī)的動作，單片機(jī)給舵機(jī)脈沖信號，使舵機(jī)根據(jù)信號輸出不同的轉(zhuǎn)動速度和角位移，舵機(jī)齒輪從而驅(qū)動行星齒輪差動結(jié)構(gòu)進(jìn)行俯仰或偏航運(yùn)動，機(jī)器人蛇頭部分安裝有反饋運(yùn)動狀態(tài)的力覺傳感器，從而可以將傳感器采集到的信號讀回計算機(jī)進(jìn)行反饋控制，達(dá)到控制相鄰關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動范圍的效果。

3 結(jié)論

本文通過對生物蛇的身體結(jié)構(gòu)分析，采用模塊化的設(shè)計方法，設(shè)計了一種具有行星齒輪差動結(jié)構(gòu)的蛇形機(jī)器人，可實(shí)現(xiàn)偏航、俯仰、回轉(zhuǎn)等運(yùn)動，并用UG建立了虛擬樣機(jī)，對蛇形機(jī)器人的成功研制具備實(shí)用價值。

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The structure design for a bionic snake-like robot

NIE Yu，ZHANG Zhuo，LIN Yun

Through analysis body structure and motion characteristics of snake and simulation abstraction of its skeletons, a kind of bionic snake-like robot is designed, which adopts differential structure of planetary gear and has three degrees of freedom. This snake-like robot can achieve the pitch, yaw, rotation and other motion, through steering gear driving planetary gear differential coupling at different rate. This snake-like robot is equipped with sensors to perceive the environment, which makes it have strong drive capability and high transmission precision. The critical angle and other technical parameters are get by establishing virtual prototype in UG.

snake-like robot, structure design, skeleton abstraction, differential structure of planetary gear

TH126

A

1002-6886(2016)06-0040-05

聶宇(1991-)，男，貴州畢節(jié)人，助工，學(xué)士學(xué)位，主要研究方向?yàn)榉律咝螜C(jī)器人技術(shù)。 張琢(1985-)，男，貴州思南人，貴陽學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院講師，哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位，主要研究方向?yàn)榉律鷻C(jī)器人技術(shù)。 林蕓(1965-)，女，貴陽學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院院長，教授，西安交通大學(xué)材料工程碩士，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計與選進(jìn)制造技術(shù)。

2016-06-05