黃子毫 王博 程超 柳健 劉書生 白琨

【摘 要】本文以實現(xiàn)蛇形機器人的蜿蜒移動為目標(biāo)，基于Labview平臺對蛇形機器人進(jìn)行了控制系統(tǒng)設(shè)計。首先介紹了舵機的選擇，其次分析了8個舵機實現(xiàn)蛇體蜿蜒運動的工作流程，并依此設(shè)計了控制面板，進(jìn)行了舵機控制程序調(diào)試，最終實現(xiàn)了根據(jù)安裝在機器人頭部的攝像頭采集的反饋信息自主控制各個關(guān)節(jié)舵機的運轉(zhuǎn)，為進(jìn)行蛇形機器人其它運動形態(tài)的控制設(shè)計等奠定了基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】蜿蜒移動；Labview；控制設(shè)計

中圖分類號： TM273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）27-0021-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.27.009

0 引言

我國各種自然災(zāi)害頻發(fā)，災(zāi)后救援是減少生命財產(chǎn)損失的重要工作。應(yīng)急救援機器人成為研究的熱點，其中蛇形機器人具有穩(wěn)定性好、橫截面小、柔性等特點，其在廢墟搜救工作中具有廣闊的應(yīng)用前景。本文在一種蛇形機器人結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對其進(jìn)行控制設(shè)計，以實現(xiàn)蛇類最為普遍的運動方式-蜿蜒運動。

1 蛇形機器人結(jié)構(gòu)

本文蛇形機器人結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用舵機作為控制器，并將舵機直接作為蛇體模塊，模塊與模塊之間的關(guān)節(jié)采用連接桿連接。即在舵機上安裝一個舵機盤，在舵機盤上固定一個鏈接桿，連接桿末端是一個球絞，在另一個單元模塊上鏈接一個一個曲柄，曲柄通過與球絞鏈接，從而與后一個單元模塊連接起來。當(dāng)舵機發(fā)生轉(zhuǎn)動時，連桿也同步于舵機發(fā)生轉(zhuǎn)動，從而帶動曲柄發(fā)生轉(zhuǎn)動，因為舵機盤轉(zhuǎn)動時，角度發(fā)生變化，起到鏈接作用的兩個組鏈接桿的相對距離是不同的，從而帶動另一個單元模塊發(fā)生移動，單元模塊下的輪子是萬向滾珠，并不會對單元模塊移動時產(chǎn)生過大的阻力。單個模塊間產(chǎn)生相對運動，整體亦相對運動，控制這種相對運動讓其滿足蜿蜒運動模式。本設(shè)計是通過軀動尾部蜿蜒擺動，將軀干向前挪動，同時頭部是保持不動的。機器人的頭部、尾部的設(shè)計大體相似，便于零件的加工和替換，蛇形機器人的頭部作為搜救、探測的主要部分，應(yīng)該具備天線、紅外探測傳感器、微型攝像頭等。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 舵機的選擇

舵機，即一種伺服電機，它是一種集成化的機構(gòu)，包括電機、牙箱、控制板、傳感器和外殼五大模塊。特別是在牙箱內(nèi)，里面有形體很小的齒輪和齒輪軸，能夠使得舵機這一模塊方便的擔(dān)負(fù)起轉(zhuǎn)動的任務(wù)，并且不需要進(jìn)行復(fù)雜的連接機構(gòu)的設(shè)計，大大的方便了機器人的設(shè)計和提高了工作效率。

舵機種類繁多，大致可以分為三類：大扭力舵機、微型舵機、標(biāo)準(zhǔn)舵機。對于舵機來說，主要的性能有大小、重量以及扭力和速度，根據(jù)舵機內(nèi)部的結(jié)構(gòu)組成可以很清楚的知道舵機的扭力和速度是由舵機內(nèi)部齒輪以及電機所決定的。通常來說，扭力就是舵機扭轉(zhuǎn)的力度。速度，即指移動一個單位距離所用的時間，它與輸入脈沖的脈寬有關(guān)，如圖2所示。

本文根據(jù)設(shè)計需要，選用HITEC HS-475HB舵機。該舵機體積小、便于安裝、控制簡單。具體參數(shù)如下：

重量：40g

尺寸：38.8×19.8×36mm|

拉力：[4.8V] 4.4Kg.cm

拉力：[6.0V] 5.5Kg.cm

轉(zhuǎn)速：[4.8V] 0.23sec/60°

轉(zhuǎn)速：[6.0V] 0.18sec/60

2.2 控制程序設(shè)計

本文設(shè)計的蛇形機器人就是在蛇的頭部安裝了攝像頭，通過NI公司研發(fā)的圖形化編程軟件LabVIEW進(jìn)行編程控制來實現(xiàn)攝像頭拍攝及信息反饋，針對反饋信息進(jìn)行分析，從而控制蛇體各個關(guān)節(jié)模塊進(jìn)行不同的運動，完成一個完整的蜿蜒前行運動。蛇形機器人頭部攝像頭的控制程序如圖3所示。機構(gòu)涉及到8個舵機，在進(jìn)行編輯舵機運動程序前先進(jìn)行通訊參數(shù)調(diào)試。本文所選的舵機的擺動角度為0～180°，設(shè)定舵機的初始狀態(tài)的角度為90°。假設(shè)8個舵機的初始狀態(tài)的角度都是90°，則整條蛇體完成一次蜿蜒運動一共分為8步，如圖4所示：1.①號舵機轉(zhuǎn)動到60°；2.②號舵機轉(zhuǎn)動到120°，①號舵機轉(zhuǎn)到 30°；3.③號舵機轉(zhuǎn)動到60°，②號舵機轉(zhuǎn)動到150°，①號舵機轉(zhuǎn)到90°；4.④號舵機轉(zhuǎn)到120°，③號舵機轉(zhuǎn)動到30°，②號舵機轉(zhuǎn)動到 90°，①號舵機轉(zhuǎn)到150°；5.⑤號舵機轉(zhuǎn)到60°，④號舵機轉(zhuǎn)到150°，③號舵機轉(zhuǎn)動到90°，②號舵機轉(zhuǎn)動到60°，①號舵機轉(zhuǎn)到 90°；6.⑥號舵機轉(zhuǎn)到60°，然后⑦⑧號舵機轉(zhuǎn)到180°，⑤號舵機轉(zhuǎn)到0°，③號舵機轉(zhuǎn)動到150°；7.⑥號舵機轉(zhuǎn)120°，然后⑦⑧號舵機轉(zhuǎn)到90°；8.⑥號舵機轉(zhuǎn)到 60°?？刂泼姘搴统绦蛘{(diào)控界面如圖5所示。

3 結(jié)語

本文以實現(xiàn)蛇形機器人的蜿蜒移動為目標(biāo)，基于Labview平臺對蛇形機器人進(jìn)行了控制系統(tǒng)設(shè)計。首先介紹了舵機的選擇，其次分析了8個舵機實現(xiàn)蛇體蜿蜒運動的工作流程，并依此設(shè)計了控制面板，進(jìn)行了舵機控制程序調(diào)試，最終實現(xiàn)了根據(jù)安裝在機器人頭部的攝像頭采集的反饋信息自主控制各個關(guān)節(jié)舵機的運轉(zhuǎn)，為進(jìn)行蛇形機器人其它運動形態(tài)的控制設(shè)計等奠定了基礎(chǔ)。

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