章 程

（江蘇省海安高級(jí)中學(xué)，江蘇南通226600）

0 引言

傳統(tǒng)的移動(dòng)機(jī)器人無法適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境，特別是自然災(zāi)害造成的廢墟罅隙空間。近年來，有學(xué)者研究了蛇形機(jī)器人，利用其身體纖細(xì)、橫截面小的特點(diǎn)，能夠進(jìn)入一般機(jī)器人無法到達(dá)的地方，甚至是人類不宜工作的某些區(qū)域，深入探測(cè)，配合外圍人員了解災(zāi)情，對(duì)解救傷員起到積極作用。因此，小巧的結(jié)構(gòu)和靈活的運(yùn)動(dòng)方式成為此類機(jī)器人研究的重要方向。

國(guó)外學(xué)者對(duì)蛇形機(jī)器人的三維步態(tài)動(dòng)力學(xué)模型有所研究，G.Chirikjian[1]、R.Hatton[2]分別建立了螺旋側(cè)移運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型以及軀體與地面接觸點(diǎn)與側(cè)移運(yùn)動(dòng)橢圓曲線之間的幾何關(guān)系，H.Yamada[3]提出了弧形連桿結(jié)構(gòu)，使蛇形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)曲線更為平滑。國(guó)內(nèi)學(xué)者孫洪建立了攀爬蛇形機(jī)器人的數(shù)學(xué)模型[4]。本文側(cè)重研究蛇形探測(cè)器的三維運(yùn)動(dòng)方式及其前進(jìn)與后退原理，使其能適應(yīng)復(fù)雜的工作環(huán)境。

1 蛇形探測(cè)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

蛇形探測(cè)器采用模塊式結(jié)構(gòu)，具有較好的靈活性。每個(gè)軀塊安裝有兩個(gè)可正反轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)探測(cè)器的三維空間運(yùn)動(dòng)。所設(shè)計(jì)的蛇形探測(cè)器結(jié)構(gòu)如圖1所示，電機(jī)安裝方式如圖2所示。

圖1 蛇形探測(cè)器結(jié)構(gòu)

圖2 電機(jī)安裝圖

該探測(cè)器具有雙向行進(jìn)的功能，兩端都可作為主動(dòng)力，若一端被卡住，不能正常前進(jìn)，另一端擔(dān)負(fù)起提供動(dòng)力的責(zé)任，反方向解救出探測(cè)器。雙向動(dòng)力設(shè)計(jì)使探測(cè)器運(yùn)動(dòng)更加靈活，可以避免其在復(fù)雜地形下出現(xiàn)纏繞的情況。

2 蛇形探測(cè)器運(yùn)動(dòng)分析

蛇形探測(cè)器的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)主要?dú)w結(jié)為4種形態(tài)：未驅(qū)動(dòng)狀態(tài)、拱起狀態(tài)、推進(jìn)狀態(tài)和扭動(dòng)狀態(tài)。蛇形探測(cè)器每個(gè)軀塊的周身外表（前后兩面除外）設(shè)計(jì)有8個(gè)可以前后擺動(dòng)的小爪，模仿蛇的剛毛。蛇形探測(cè)器的行進(jìn)主要依靠摩擦阻力矩，當(dāng)所有小爪置為后傾狀態(tài)時(shí)，在各電機(jī)的協(xié)同作用下，蛇形探測(cè)器可以前進(jìn)，反之，蛇形探測(cè)器可以后退。以7個(gè)活動(dòng)軀塊，其中3個(gè)軀塊拱起為例，分析蛇形探測(cè)器爬行運(yùn)動(dòng)受力情況。

2.1 未驅(qū)動(dòng)狀態(tài)

蛇形探測(cè)器未驅(qū)動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（即初始狀態(tài)）呈直線排列，如圖3所示。

圖3 蛇形探測(cè)器未驅(qū)動(dòng)狀態(tài)示意圖

設(shè)每個(gè)軀塊質(zhì)量相同為m，摩擦力為f，軀塊長(zhǎng)度為L(zhǎng)，小爪后傾時(shí)軀塊與地面摩擦系數(shù)為μ，軀塊間間隙忽略不計(jì)。要使蛇形探測(cè)器運(yùn)動(dòng)，必須滿足下列條件：

2.2 拱起狀態(tài)

將各軀塊小爪置為后傾狀態(tài)，前進(jìn)摩擦阻力則小于后退摩擦阻力。軀塊1和軀塊2保持不動(dòng)，同時(shí)控制軀塊3、軀塊4和軀塊6上的外殼旋轉(zhuǎn)電機(jī)，使軀塊3以軀塊2和軀塊3的鏈接點(diǎn)為支點(diǎn)，產(chǎn)生逆時(shí)針轉(zhuǎn)矩，此時(shí)軀塊3、軀塊4和軀塊5呈拱起狀態(tài)，拖動(dòng)軀塊6、軀塊7前進(jìn)。蛇形探測(cè)器拱起狀態(tài)受力分析如圖4所示。

圖4 蛇形探測(cè)器拱起狀態(tài)受力示意圖

要使蛇形探測(cè)器前進(jìn)，軀塊3上端必須產(chǎn)生拖動(dòng)力F，所以軀塊3中的電機(jī)必須產(chǎn)生摩擦阻力矩T1：

2.3 向前推進(jìn)狀態(tài)

與拱起狀態(tài)原理類似，同時(shí)控制軀塊3、軀塊4和軀塊6上的外殼旋轉(zhuǎn)電機(jī)反方向旋轉(zhuǎn)，由于各小爪處于后傾狀態(tài)，軀塊1和軀塊2向前的阻力小于軀塊6和軀塊7向前的阻力，所以當(dāng)軀塊3、軀塊4和軀塊5回位時(shí)，可以推動(dòng)軀塊1、軀塊2前進(jìn)，如圖5所示。

圖5 蛇形探測(cè)器推進(jìn)狀態(tài)受力示意圖

回位力矩T2的計(jì)算公式如下：

2.4 扭動(dòng)狀態(tài)

拱起狀態(tài)是蛇形軀體垂直于水平面上下彎曲，而扭動(dòng)狀態(tài)是蛇形軀體在水平面彎曲。扭動(dòng)狀態(tài)時(shí)，各小爪也必須處于后傾狀態(tài)，同時(shí)控制軀塊3外殼旋轉(zhuǎn)電機(jī)和外殼擺動(dòng)電機(jī)以及軀塊4和軀塊6的外殼旋轉(zhuǎn)電機(jī)，此時(shí)軀塊1和軀塊2向前的阻力小于軀塊6和軀塊7向前的阻力，所以當(dāng)軀塊3、軀塊4和軀塊5左右扭動(dòng)時(shí)，實(shí)現(xiàn)2次前進(jìn)動(dòng)作。

上述4種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的有機(jī)組合，結(jié)合小爪的前傾與后傾狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)蛇形探測(cè)器三維空間靈活進(jìn)退運(yùn)動(dòng)。

3 蛇形探測(cè)器工作原理

3.1 探測(cè)功能

蛇形探測(cè)器除了具有三維運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)外，還具有多項(xiàng)探測(cè)功能。可在蛇形探測(cè)器上安裝多種傳感器，如北斗定位模塊、光敏傳感器、聲波傳感器、紅外傳感器、微型攝像頭等。探測(cè)器工作時(shí)以聲波傳感為主，在地下救援中若紅外和聲波信號(hào)同時(shí)顯現(xiàn)時(shí)，探測(cè)器會(huì)自動(dòng)進(jìn)行主輔選擇，優(yōu)先以聲波信號(hào)進(jìn)行探測(cè)。另外，其裝有生命探測(cè)裝置，可感應(yīng)人體所發(fā)出的超低頻電場(chǎng)，找到被困人員的位置，可防錯(cuò)誤識(shí)別其他生物發(fā)出的聲音，影響救援速度。探測(cè)器上的紅外測(cè)距傳感器協(xié)助探測(cè)器躲避障礙，提高救援效率。探測(cè)器上的微型攝像頭可以將廢墟下的情況拍攝記錄。探測(cè)器采用2.4 GHz無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與搜尋人員手持式終端進(jìn)行通信，將救援情況傳遞給外部工作人員，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，制定相應(yīng)救援措施。

3.2 雙向行進(jìn)功能

廢墟之中就像一個(gè)迷宮，蛇形探測(cè)器前行時(shí)容易把自己繞進(jìn)去，所以采用雙向行進(jìn)方式，自動(dòng)調(diào)節(jié)前行的角度，通過算法控制，蛇身拱起與回位，結(jié)合小爪前傾或后傾結(jié)構(gòu)，完成向前推進(jìn)或向后行進(jìn)動(dòng)作，避免了碰上死路而無法回頭的狀況。

蛇形探測(cè)器結(jié)合光敏傳感器，在探測(cè)結(jié)束時(shí)可以根據(jù)微弱的光芒找到出口，無需擔(dān)心探測(cè)器丟失。在漆黑的礦井，或者較深的廢墟中沒有光源指引時(shí)，探測(cè)器會(huì)根據(jù)自動(dòng)記憶所有路線、雙向移動(dòng)功能引導(dǎo)設(shè)備安全返回。整個(gè)行進(jìn)過程由蛇尾的電池模塊帶動(dòng)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)力。

4 應(yīng)用前景

在“以人為本、科技強(qiáng)警”的現(xiàn)代化時(shí)代，救援過程就是與時(shí)間的競(jìng)賽。近年來多發(fā)的自然災(zāi)害，如地震、火災(zāi)、洪水，人為的恐怖活動(dòng)、武力沖突，由生化病毒和有毒物質(zhì)、輻射性物質(zhì)等帶來的災(zāi)害，威脅著人們的安全，如果僅靠人工救援，不僅延誤了最佳的救援時(shí)間，還會(huì)造成無謂的人員傷亡。

本文設(shè)計(jì)的蛇形微型探測(cè)器，可以在災(zāi)難發(fā)生后，廢墟下存在多種不確定因素，救援工作難以展開時(shí)，快速進(jìn)入廢墟罅隙進(jìn)行生命體征和傷亡情況探測(cè)，不僅給救援人員爭(zhēng)取了更多的時(shí)間，還使得被困人員多了一線生機(jī)。該蛇形微型探測(cè)器，具有較強(qiáng)的靈活性，能夠適應(yīng)多種復(fù)雜環(huán)境，可以在災(zāi)難救援工作中發(fā)揮重要作用。