連海山，禤景文，陳妙妹

(嶺南師范學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 湛江 524048)

生物蛇可以在多樣化的自然環(huán)境中生存，其獨(dú)特的蜿蜒爬行運(yùn)動(dòng)方式可以使其運(yùn)動(dòng)自如，不僅能夠在平整的地面或坎坷的山路上迅速爬行，還能夠在沙漠、沼澤等流動(dòng)性強(qiáng)的險(xiǎn)地中蜿蜒爬行[1].蛇形機(jī)器人就是按照生物蛇的運(yùn)動(dòng)模式研究得出仿生機(jī)器人，它具備多自由度的運(yùn)動(dòng)能力，做出的運(yùn)動(dòng)方式和生物蛇的運(yùn)動(dòng)方式非常貼合.蛇形機(jī)器人可以應(yīng)用于軍事偵察、巡邏，也可以應(yīng)用于民用搶險(xiǎn)救災(zāi).綜合蛇形機(jī)器人的這些優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用方向，研究蛇形機(jī)器人具備十分重大的意義.

最早的蛇形機(jī)器人是由日本東京工業(yè)大學(xué)的Shigeo Hirose研發(fā)出來的ACM，提出了用“蛇形曲線”來表達(dá)生物蛇蜿蜒前行的運(yùn)動(dòng)軌跡[2]，如圖1所示.從1997年起，德國人Gavin.H進(jìn)行蛇形仿生機(jī)器人的研究工作，到目前為止總共設(shè)計(jì)并制作了S1、S2、S3、S4、S5共五代的蛇形機(jī)器人，圖2為蛇形機(jī)器人S5.S5機(jī)器人的特點(diǎn)是：各個(gè)關(guān)節(jié)形狀尺寸不盡相同，身體形態(tài)高度模擬生物蛇；機(jī)器人是一個(gè)二維結(jié)構(gòu)，無法完成復(fù)雜的三維運(yùn)動(dòng)；底部具有從動(dòng)輪，利用從動(dòng)輪運(yùn)動(dòng)的效率很高，其主要運(yùn)動(dòng)方式為蜿蜒運(yùn)動(dòng)[3].

美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)針對廢墟搜索和救援工作的需要研制出了專門的蛇形機(jī)器人，該機(jī)器人的關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)為主動(dòng)關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)受模塊單元體內(nèi)的電機(jī)控制，可以在草地、廢墟等復(fù)雜環(huán)境中完成蠕動(dòng)、攀爬、側(cè)翻等復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)比較靈活，易受控制[4].

1999年3月，上海交通大學(xué)崔顯世、顏國正等研發(fā)出了中國第一臺(tái)蛇形仿生機(jī)器人微小型樣機(jī)[5].2001年11月，國防科學(xué)大學(xué)研制出了另外一款蛇形仿生機(jī)器人樣機(jī)[6]，如圖3所示.

圖1 ACM 樣機(jī)(1972)

圖2 蛇形機(jī)器人S5

圖3國防科大蛇形機(jī)器人

近年來，除了以上蛇形機(jī)器人的研究外，還有越來越多的新型蛇形機(jī)器人出現(xiàn).如劉洋，李世其等研究的單馬達(dá)驅(qū)動(dòng)蛇形機(jī)器人[7]；宋能松研究的欠驅(qū)動(dòng)蛇形機(jī)器人[8]；李斌研究的一種具有三維運(yùn)動(dòng)能力的蛇形機(jī)器人[9]；葉長龍，馬書根等研究的基于耦合驅(qū)動(dòng)蛇形機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與抬起的方法等[10].

1 六自由度蛇形機(jī)器人的開發(fā)基礎(chǔ)

1.1 生物蛇的運(yùn)動(dòng)方式

生物蛇是自然界里無足動(dòng)物的典型代表，它最常見的運(yùn)動(dòng)模式是蜿蜒運(yùn)動(dòng).爬行時(shí)，蛇類有規(guī)律地縮放全身肌肉，身體在地面上作波浪線彎曲，體側(cè)不斷施力于粗糙的地面，由地面的反作用力推動(dòng)蛇體前行.利用波浪形彎曲作為蛇形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡，通過地面與蛇身的反作用力推動(dòng)機(jī)器蛇前進(jìn).

1.2 蛇形機(jī)器人控制類組件

1.2.1 CDS5516機(jī)器人舵機(jī)

CDS5516舵機(jī)是一種集電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)、總線式通信接口為一體的集成伺服單元.一般用做微型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)，如圖4所示.

舵機(jī)的參數(shù)設(shè)置和調(diào)試需要使用 UP-Debugger 多功能調(diào)試器和Robot Servo Terminal調(diào)試軟件來完成.CDS5516機(jī)器人舵機(jī)電氣接口如下圖5所示，定義相同的接線口可將舵機(jī)逐一串聯(lián)起來.本文六自由度蛇形機(jī)器人關(guān)節(jié)采用6個(gè)舵機(jī)串聯(lián)工作.

圖4 CDS5516機(jī)器人舵機(jī)

圖5 CDS5516機(jī)器人舵機(jī)電氣接口

1.2.2 GP2D12紅外測距傳感器

GP2D12紅外測距傳感器主要由紅外發(fā)射器、位置敏感檢測裝置及相關(guān)電路構(gòu)成.它的工作電壓為4～5.5V，輸出的模擬量為0～2.5V(電壓值隨距離變化)，量程范圍是10～80 cm.圖6為“創(chuàng)意之星模塊化機(jī)器人”所使用的GP2D12紅外測距傳感器，它擁有一個(gè)像頭部的外殼，能夠與創(chuàng)意之星的其他零件相配合.GP2D12紅外測距傳感器為模擬量傳感器，接上控制卡后能夠通過NorthStar進(jìn)行數(shù)值讀取和編程.

圖6 “創(chuàng)意之星”紅外測距傳感器

1.2.3 MultiFLEXTM2-PXA270控制器

MultiFLEXTM2-PXA270控制器是“創(chuàng)意之星模塊化機(jī)器人組件”的高級版控制器，能實(shí)現(xiàn)語音、視覺和紅外等控制功能.

如圖7所示為MultiFLEXTM2-PXA270控制器電氣接口示意圖，使用它編程時(shí)只需將網(wǎng)線一端接入電腦，另一端接入控制器網(wǎng)線接口，這樣便可開機(jī)使用NorthStar進(jìn)行編程和燒錄.

圖7 MultiFLEXTM2-PXA270控制器電氣接口示意圖

2 六自由度蛇形機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與三維建模

2.1 機(jī)器蛇身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用模塊化設(shè)計(jì)是這次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)特點(diǎn)，將它的機(jī)器蛇體分為幾個(gè)結(jié)構(gòu)相同的部件模塊，每個(gè)部件模塊都采用一樣的結(jié)構(gòu)和控制方法，用這些相同的模塊組裝成一條完整的蛇形機(jī)器蛇.采用模塊化思想設(shè)計(jì)優(yōu)勢在于：1)經(jīng)濟(jì).采用批量制造的標(biāo)準(zhǔn)化模塊拼裝成的蛇形機(jī)器人，既能滿足設(shè)計(jì)的需求，也能減少制造成本；2)縮短設(shè)計(jì)周期.可以很快設(shè)計(jì)出滿足要求的蛇形機(jī)器人，比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法快；3)互換性強(qiáng).如果設(shè)計(jì)出來的蛇形機(jī)器人某個(gè)模塊出現(xiàn)故障，可以利用一樣的模塊把它替換掉，維修快[11].

蛇形機(jī)器人的模塊關(guān)節(jié)采用CDS5516機(jī)器人舵機(jī)作為擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)器，一個(gè)舵機(jī)就擁有一個(gè)左右擺動(dòng)的自由度，要制作六自由度蛇形機(jī)器人就需要6個(gè)帶舵機(jī)的模塊組裝在一起.

六自由度蛇形機(jī)器人身體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用創(chuàng)意之星機(jī)器人模塊化組件拼裝成4個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)相同的模塊及2個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)相同的帶被動(dòng)輪子的模塊來進(jìn)行安裝.其中蛇形機(jī)器人第一和第五節(jié)使用帶被動(dòng)輪子的模塊，其余4節(jié)采用普通模塊，以紅外測距傳感器作為蛇頭.6個(gè)模塊共同構(gòu)成機(jī)器蛇身關(guān)節(jié)，2個(gè)帶被動(dòng)輪子的模塊不僅起到支撐蛇形機(jī)器人蛇體的作用，還起到了提供摩擦力的作用，在機(jī)器蛇身擺動(dòng)彎曲時(shí)提供讓它前進(jìn)的反作用力.

2.2 零部件三維建模

在零部件三維建模方面，本次設(shè)計(jì)采用了Solidworks進(jìn)行繪制.首先把部件模塊所需的零件圖繪制出來，大零件如圖8所示，小零件如圖9所示.

圖8大零件一覽圖圖9小零件一覽圖

由上圖零件組裝出普通部件的模塊和帶被動(dòng)輪子的部件模塊，分別如圖10和圖11所示.模塊裝配如圖12所示，蛇形機(jī)器人整體如圖13(a)(b)所示.

圖10 普通部件模塊正反面

圖11 帶被動(dòng)輪子部件模塊正反面

圖12 兩個(gè)模塊裝配爆炸圖

圖13 蛇形機(jī)器人整體圖

這樣的連接方式有一個(gè)特點(diǎn)，就是每一個(gè)模塊的舵機(jī)擺動(dòng)是控制前面一個(gè)模塊的運(yùn)動(dòng).

3 六自由度蛇形機(jī)器人控制系統(tǒng)開發(fā)

本次研究的蛇形機(jī)器人需要實(shí)現(xiàn)紅外啟動(dòng)的前進(jìn)蜿蜒運(yùn)動(dòng).在這里把它拆分為紅外傳感啟動(dòng)和前進(jìn)蜿蜒運(yùn)動(dòng)兩部分，先實(shí)現(xiàn)蛇形機(jī)器人的前進(jìn)蜿蜒運(yùn)動(dòng)，再來實(shí)現(xiàn)紅外測距傳感啟動(dòng).

3.1 前進(jìn)蜿蜒運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)

為了蛇形機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)前進(jìn)蜿蜒運(yùn)動(dòng)，本文采取了控制6個(gè)舵機(jī)一起擺動(dòng)的方法，讓蛇形機(jī)器人做出6個(gè)動(dòng)作并且利用這6個(gè)動(dòng)作循環(huán)來使得被動(dòng)輪與地面摩擦向前實(shí)現(xiàn)前進(jìn)蜿蜒運(yùn)動(dòng).這些動(dòng)作除了要控制擺動(dòng)角度外，還需要控制舵機(jī)的擺動(dòng)速度，擺動(dòng)速度可以有效地控制被動(dòng)輪的位移，所以把當(dāng)前節(jié)的擺動(dòng)速度設(shè)置都比前一節(jié)慢，舵機(jī)的每個(gè)動(dòng)作的擺動(dòng)速度都是一樣的.每當(dāng)蛇形機(jī)器人進(jìn)行一個(gè)彎曲運(yùn)動(dòng)時(shí)，輪子會(huì)向前移動(dòng)一段距離，進(jìn)行伸展運(yùn)動(dòng)時(shí)，輪子則會(huì)往后回一段距離，但是前進(jìn)距離比后退距離大，所以使得蛇形機(jī)器人整體向前移動(dòng).

蛇形機(jī)器人的6個(gè)動(dòng)作如圖14所示.程序燒錄進(jìn)控制器后，直接把串聯(lián)好的舵機(jī)接到控制器的舵機(jī)接口，通過控制器的電池供電，蛇形機(jī)器人就可以實(shí)現(xiàn)向前的前進(jìn)蜿蜒運(yùn)動(dòng)的死循環(huán).該功能的控制程序如下圖15(1)(2)(3)(4)(5)(6)所示.

圖14 蛇形機(jī)器人的六個(gè)動(dòng)作

圖15 前進(jìn)蜿蜒運(yùn)動(dòng)控制程序

3.2 紅外測距傳感啟動(dòng)功能的實(shí)現(xiàn)

在前進(jìn)蜿蜒運(yùn)動(dòng)成功的前提下，給蛇形機(jī)器人加上一個(gè)紅外測距啟動(dòng)的功能.利用NorthStar設(shè)置一個(gè)模擬輸入模塊，給紅外傳感器一個(gè)啟動(dòng)條件，模擬量為ad.設(shè)計(jì)思路如流程圖圖16所示.控制器開機(jī)后，如果紅外測距傳感器檢測到ad值大于等于150的時(shí)候，程序就會(huì)進(jìn)入前進(jìn)蜿蜒運(yùn)動(dòng)的死循環(huán)，沒有檢測到的話就延時(shí)0.5 s再次檢測ad值是否大于等于150.

控制器開機(jī)ad≥150？↓Y進(jìn)入直線蜿蜒運(yùn)動(dòng)↓N延時(shí)0．5s→←

圖16紅外啟動(dòng)流程圖

圖17 紅外啟動(dòng)控制程序流程圖

控制程序如圖17所示.紅外測距傳感器開始檢測ad模擬量值，當(dāng)ad模擬量值滿足條件ad≥150的話就進(jìn)入前進(jìn)蜿蜒運(yùn)動(dòng)的死循環(huán)，如不滿足條件，紅外測距傳感器就會(huì)延時(shí)0.5 s再檢查ad模擬量值是否滿足條件，如此一直循環(huán)直到滿足條件為止.

4 結(jié) 論

在設(shè)計(jì)方面，曾試過設(shè)計(jì)不帶被動(dòng)輪的蛇身結(jié)構(gòu)，在組裝都導(dǎo)致蛇形機(jī)器人只能在原地?cái)[動(dòng)，也曾試過設(shè)計(jì)帶3對被動(dòng)輪的蛇身結(jié)構(gòu)，結(jié)果因?yàn)橹虚g的一對被動(dòng)輪往后退的距離太大，導(dǎo)致整條蛇形機(jī)器人不停往后退；后來通過觀察每次調(diào)試的結(jié)果，才把結(jié)構(gòu)做成帶2對被動(dòng)輪的結(jié)構(gòu).在控制方面，先研究前進(jìn)運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，曾試過對舵機(jī)進(jìn)行逐個(gè)控制，結(jié)果蛇形機(jī)器人得出的奇形怪狀的姿態(tài)；后來改成控制6個(gè)舵機(jī)一起擺動(dòng)，但是在舵機(jī)擺動(dòng)速度不變的情況下運(yùn)動(dòng)，蛇形機(jī)器人也只是在原地不停地彎曲擺動(dòng)；直到最后通過觀察生物蛇蜿蜒運(yùn)動(dòng)的視頻，才發(fā)現(xiàn)蛇身擺動(dòng)的速度應(yīng)該是又快又慢的，所以才有了后面調(diào)試舵機(jī)擺動(dòng)速度快慢這一說，也因?yàn)槿绱?，最終才把前進(jìn)蜿蜒運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)出來.最后，本文設(shè)計(jì)的六自由度蛇形機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)紅外測距啟動(dòng)前進(jìn)蜿蜒運(yùn)動(dòng).

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