仿生機(jī)器蛇的設(shè)計(jì)

摘要：文章主要描述仿生機(jī)器蛇的設(shè)計(jì)，包括機(jī)器蛇的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃連貫動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)。通過對(duì)蛇形機(jī)器人在有障礙物和無障礙物環(huán)境中，進(jìn)行不同連貫動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)形式變化，找出機(jī)器人設(shè)計(jì)的不同側(cè)重點(diǎn);最后，將對(duì)本文的不足和實(shí)驗(yàn)時(shí)所遇到的困難進(jìn)行總結(jié)，并加以展望。

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，人類的需要，一些在特定環(huán)境中擁有獨(dú)特技巧和能力的機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生，蛇形機(jī)器人就是其中一種。蛇形機(jī)器人是根據(jù)蛇的骨骼和運(yùn)動(dòng)原理所制造的仿生機(jī)器人，憑借其獨(dú)特的運(yùn)動(dòng)形式和身體結(jié)構(gòu)，應(yīng)用前景可以說是無可限量。

1 系統(tǒng)總體構(gòu)成

本文所研究的蛇形機(jī)器人采用Solid Snake(SS)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。Solid Snakc利用垂直和水平方向正交的關(guān)節(jié)來模擬蛇類生物柔軟的身體，每兩個(gè)正交的關(guān)節(jié)組成一個(gè)單元體，每個(gè)單元體相當(dāng)于一個(gè)萬向節(jié)，具有兩個(gè)方向的自由度，整體形成一個(gè)高冗余度的結(jié)構(gòu)體。這樣的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)使蛇體具有向任何方向彎曲的能力。其殼體機(jī)構(gòu)、舵機(jī)與殼體安裝方式和兩個(gè)單元連接方式，即以垂直→水平→垂直的方式相連接，以模仿生物蛇的關(guān)節(jié)，如圖1所示。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。首先在計(jì)算機(jī)上測(cè)試每個(gè)插座對(duì)應(yīng)的舵機(jī)，簡(jiǎn)而言之就是對(duì)號(hào)入座，首先找出每個(gè)舵機(jī)的零點(diǎn)位置，然后編程，將已編寫好的程序下載到控制板里面，通過控制板實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)的直接控制，電源控制板為所有的舵機(jī)提供動(dòng)力，最后經(jīng)過多次的調(diào)試仿生機(jī)器蛇即可以完成一套連貫的動(dòng)作。

2 仿生機(jī)器蛇的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃

要想完成仿生機(jī)器蛇在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中自由運(yùn)動(dòng)，就需要先對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)力學(xué)分析和路徑規(guī)劃。

2.1 仿生機(jī)器蛇的運(yùn)動(dòng)力學(xué)分析

本文所研究的蛇形機(jī)器人由垂直方向與水平方向交替連接，依次可以做二維運(yùn)動(dòng)。而每個(gè)舵機(jī)的范圍在-90°～+90°之間。當(dāng)蛇形機(jī)器人在平面上運(yùn)動(dòng)時(shí)，它的運(yùn)動(dòng)示意圖如圖3所示。

(1)平面蜿蜒運(yùn)動(dòng)。平面蜿蜒運(yùn)動(dòng)是通過控制關(guān)節(jié)模塊水平軸的關(guān)節(jié)保持直線，而垂直軸的關(guān)節(jié)呈正弦變化實(shí)現(xiàn);采用的算法公式為：

(2)側(cè)向運(yùn)動(dòng)。側(cè)向運(yùn)動(dòng)是控制關(guān)節(jié)模塊的垂直軸的關(guān)節(jié)和水平軸的關(guān)節(jié)都呈正弦變化，兩個(gè)曲線之間有一個(gè)相位差;采用的算法公式為：

(3)伸縮運(yùn)動(dòng)。伸縮運(yùn)動(dòng)方式可以通過控制它的垂直軸的關(guān)節(jié)保持直線，而水平軸的關(guān)節(jié)呈正弦的變化實(shí)現(xiàn)。它的垂直面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，適合穿越狹小的管道。采用的算法公式為：

(4)翻滾運(yùn)動(dòng)。翻滾運(yùn)動(dòng)是控制關(guān)節(jié)模塊的垂直軸的關(guān)節(jié)和水平軸的關(guān)節(jié)變化而實(shí)現(xiàn)，其采用的算法公式為：

2.2 仿生機(jī)器蛇的路徑規(guī)劃

所謂的路徑規(guī)劃就是指在障礙物的環(huán)境中，按照某一特定的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，尋找一條從起始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)的不會(huì)發(fā)生任何碰撞的路徑。如果把運(yùn)動(dòng)物體看作是所研究的問題的某種狀態(tài)，把障礙物看成是所要解決的約束條件，無碰撞路徑規(guī)劃就是滿足次約束的解，因此空間路徑規(guī)劃可以描述成求解滿足約束條件的過程。為了更好地理解路徑規(guī)劃，可以將其分解成兩個(gè)問題。

(1)尋找空間問題。在某個(gè)指定區(qū)域R內(nèi)，確定物體的安全A位置，使其不與在次空間內(nèi)的已有物體B發(fā)生碰撞。

(2)尋找路徑問題。在以上指定區(qū)域R內(nèi)，確定物體A從初始位置到目標(biāo)位置的安全途徑，使其在移動(dòng)過程中物體A與物體B不發(fā)生碰撞。

圖4表示的就是在障礙物環(huán)境中物體A在不碰撞物體B的情況下到達(dá)指定區(qū)域。

3 仿生機(jī)器蛇連貫動(dòng)作的設(shè)計(jì)

軟件采用C語言編寫，舵機(jī)控制程序進(jìn)行相應(yīng)模塊化設(shè)計(jì)，形成基本動(dòng)作“積木”單元，組合連貫動(dòng)作套件包。這些“積木”單元都很容易互相拼接、組裝。用這些“積木”可以很方便地搭建出各種發(fā)揮想象力的機(jī)器人，并可為自己搭建出的機(jī)器人編程。

3.1 蛇形機(jī)器人連貫動(dòng)作

蛇形機(jī)器人的連貫動(dòng)作主要是將前面幾種運(yùn)動(dòng)策略連接而成。圖5所示為蛇形機(jī)器人連貫動(dòng)作結(jié)構(gòu)圖。

3.2 蛇形機(jī)器人一爬行運(yùn)動(dòng)

蛇形機(jī)器人的爬行動(dòng)作，屬于蛇類的蜿蜒運(yùn)動(dòng)，自然界中蛇類的運(yùn)動(dòng)都是“S”形的，類似于正弦曲線。由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，本研究所做的爬行動(dòng)作以“弓”形代替。如圖6所示。

以下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，表示著蛇形機(jī)器人由左“弓”形到右“弓”形時(shí)的各個(gè)舵機(jī)的角度，因?yàn)榕佬袆?dòng)作并不需要太快，所以速度全都設(shè)置為150。這樣每個(gè)動(dòng)作的變化都不是很快，但是相應(yīng)的蛇形機(jī)器人所做的每個(gè)動(dòng)作都很平穩(wěn)。每個(gè)動(dòng)作完成后有2s的延時(shí)。爬行運(yùn)動(dòng)的程序結(jié)構(gòu)如圖6所示。

3.3 蛇形機(jī)器人一翻滾動(dòng)作

蛇形機(jī)器人的翻滾動(dòng)作屬于蛇類的側(cè)向運(yùn)動(dòng)。翻滾動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)首先要使蛇形機(jī)器人有一定的彎曲，然后在固定兩個(gè)點(diǎn)，調(diào)試其余的舵機(jī)，使其可以360°的翻滾，如圖7所示。

3.4 蛇形機(jī)器人一盤起、攻擊動(dòng)作

蛇形機(jī)器人盤起、攻擊的動(dòng)作是比較綜合的一個(gè)動(dòng)作，因?yàn)椴煌男枰?，每個(gè)動(dòng)作中每個(gè)舵機(jī)的速度要求也不一樣。其程序結(jié)構(gòu)如圖8所示。

還有蛇形機(jī)器人的其他連貫動(dòng)作：1)蠕動(dòng)動(dòng)作，可以視為蛇類的直線運(yùn)動(dòng)，利用這種移動(dòng)方式可以使蛇形機(jī)器人沿著一條直線前進(jìn)。而且即使改變了外界環(huán)境，也可以根據(jù)環(huán)境，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，適應(yīng)性強(qiáng);2)側(cè)移動(dòng)作，利用蛇身扭動(dòng)與地面產(chǎn)生的摩擦力使整個(gè)身體發(fā)生位置的改變，動(dòng)作簡(jiǎn)單，可以通過改變?cè)搫?dòng)作的重復(fù)次數(shù)來改變運(yùn)動(dòng)方向，即使環(huán)境改變，對(duì)蛇形機(jī)器人的側(cè)移也沒有太大影響。

4 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了三種平臺(tái)的仿生機(jī)器蛇，如圖9所示：1)基于robotbosic設(shè)計(jì)的力量型機(jī)器蛇，有十四個(gè)自由度舵機(jī)組成，每個(gè)自由度大約1.2cm。能完成諸如扭動(dòng)、前進(jìn)、蛇頭上揚(yáng)等動(dòng)作。小體積是我們的一大特色，簡(jiǎn)化了供電裝置，將電源與舵機(jī)經(jīng)過特殊的處理裝置在一起，讓動(dòng)作更加方便，同時(shí)也減少了大量的外遷線，使蛇能更加靈活;2)基于norstar可蠕動(dòng)前進(jìn)和盤起攻擊的仿生機(jī)器蛇，最終完成了一條14個(gè)自由度、長約1.2m的大蛇，一條7個(gè)自由度、長約0.6m的小蛇，實(shí)現(xiàn)蛇的基本動(dòng)作，將驅(qū)動(dòng)裝置安裝到蛇身體上，縮小蛇身體體積。實(shí)

物如圖8所示。優(yōu)點(diǎn)在于有短信和來電兩個(gè)功能，不足之處探測(cè)器過于敏感;3)基于arduino設(shè)計(jì)的迷你型機(jī)器蛇，共有八個(gè)小舵機(jī)組成，共15cm。蛇頭與蛇尾增加泡沫設(shè)計(jì)使蛇的形象更加逼真。小蛇能夠左右擺動(dòng)，還能向前蠕動(dòng)前進(jìn)。

5 結(jié)束語

本文所研制的三種機(jī)器人基本是用舵機(jī)串聯(lián)而成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，連貫動(dòng)作能舒展完成，但不足是蛇形機(jī)器人由十幾個(gè)舵機(jī)串聯(lián)而成，因?yàn)榇?lián)的舵機(jī)數(shù)量太多，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電流越來越小。建議改進(jìn)措施有：1)利用一個(gè)電流放大電路增大驅(qū)動(dòng)電流;2)由于串聯(lián)的舵機(jī)數(shù)越多，驅(qū)動(dòng)電流就越小，所以如果在條件允許的情況下，可以選擇減少幾個(gè)舵機(jī);3)將所有舵機(jī)并聯(lián)，這樣可以使各個(gè)部分舵機(jī)電壓相同，驅(qū)動(dòng)電流也趨于穩(wěn)定。