六自由度蛇形機器人設(shè)計與控制系統(tǒng)開發(fā)

連海山，禤景文，陳妙妹

(嶺南師范學(xué)院 機電工程學(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，其獨特的蜿蜒爬行運動方式可以使其運動自如，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、沼澤等流動性強的險地中蜿蜒爬行[1].蛇形機器人就是按照生物蛇的運動模式研究得出仿生機器人，它具備多自由度的運動能力，做出的運動方式和生物蛇的運動方式非常貼合.蛇形機器人可以應(yīng)用于軍事偵察、巡邏，也可以應(yīng)用于民用搶險救災(zāi).綜合蛇形機器人的這些優(yōu)點和應(yīng)用方向，研究蛇形機器人具備十分重大的意義.

最早的蛇形機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”來表達生物蛇蜿蜒前行的運動軌跡[2]，如圖1所示.從1997年起，德國人Gavin.H進行蛇形仿生機器人的研究工作，到目前為止總共設(shè)計并制作了S1、S2、S3、S4、S5共五代的蛇形機器人，圖2為蛇形機器人S5.S5機器人的特點是：各個關(guān)節(jié)形狀尺寸不盡相同，身體形態(tài)高度模擬生物蛇；機器人是一個二維結(jié)構(gòu)，無法完成復(fù)雜的三維運動；底部具有從動輪，利用從動輪運動的效率很高，其主要運動方式為蜿蜒運動[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器人，該機器人的關(guān)節(jié)機構(gòu)為主動關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)受模塊單元體內(nèi)的電機控制，可以在草地、廢墟等復(fù)雜環(huán)境中完成蠕動、攀爬、側(cè)翻等復(fù)雜運動，運動比較靈活，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)出了中國第一臺蛇形仿生機器人微小型樣機[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器人樣機[6]，如圖3所示.

圖1 ACM 樣機(1972)

圖2 蛇形機器人S5

圖3國防科大蛇形機器人

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

1 六自由度蛇形機器人的開發(fā)基礎(chǔ)

1.1 生物蛇的運動方式

生物蛇是自然界里無足動物的典型代表，它最常見的運動模式是蜿蜒運動.爬行時，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蛇體前行.利用波浪形彎曲作為蛇形機器人的運動軌跡，通過地面與蛇身的反作用力推動機器蛇前進.

1.2 蛇形機器人控制類組件

1.2.1 CDS5516機器人舵機

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

舵機的參數(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機器人舵機電氣接口如下圖5所示，定義相同的接線口可將舵機逐一串聯(lián)起來.本文六自由度蛇形機器人關(guān)節(jié)采用6個舵機串聯(lián)工作.

圖4 CDS5516機器人舵機

圖5 CDS5516機器人舵機電氣接口

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)意之星模塊化機器人”所使用的GP2D12紅外測距傳感器，它擁有一個像頭部的外殼，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)意之星模塊化機器人組件”的高級版控制器，能實現(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，這樣便可開機使用NorthStar進行編程和燒錄.

圖7 MultiFLEXTM2-PXA270控制器電氣接口示意圖

2 六自由度蛇形機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計與三維建模

2.1 機器蛇身結(jié)構(gòu)設(shè)計

采用模塊化設(shè)計是這次結(jié)構(gòu)設(shè)計的一個特點，將它的機器蛇體分為幾個結(jié)構(gòu)相同的部件模塊，每個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器蛇.采用模塊化思想設(shè)計優(yōu)勢在于：1)經(jīng)濟.采用批量制造的標準化模塊拼裝成的蛇形機器人，既能滿足設(shè)計的需求，也能減少制造成本；2)縮短設(shè)計周期.可以很快設(shè)計出滿足要求的蛇形機器人，比傳統(tǒng)設(shè)計方法快；3)互換性強.如果設(shè)計出來的蛇形機器人某個模塊出現(xiàn)故障，可以利用一樣的模塊把它替換掉，維修快[11].

蛇形機器人的模塊關(guān)節(jié)采用CDS5516機器人舵機作為擺動驅(qū)動器，一個舵機就擁有一個左右擺動的自由度，要制作六自由度蛇形機器人就需要6個帶舵機的模塊組裝在一起.

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

2.2 零部件三維建模

在零部件三維建模方面，本次設(shè)計采用了Solidworks進行繪制.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 帶被動輪子部件模塊正反面

圖12 兩個模塊裝配爆炸圖

圖13 蛇形機器人整體圖

這樣的連接方式有一個特點，就是每一個模塊的舵機擺動是控制前面一個模塊的運動.

3 六自由度蛇形機器人控制系統(tǒng)開發(fā)

本次研究的蛇形機器人需要實現(xiàn)紅外啟動的前進蜿蜒運動.在這里把它拆分為紅外傳感啟動和前進蜿蜒運動兩部分，先實現(xiàn)蛇形機器人的前進蜿蜒運動，再來實現(xiàn)紅外測距傳感啟動.

3.1 前進蜿蜒運動的實現(xiàn)

為了蛇形機器人能夠?qū)崿F(xiàn)前進蜿蜒運動，本文采取了控制6個舵機一起擺動的方法，讓蛇形機器人做出6個動作并且利用這6個動作循環(huán)來使得被動輪與地面摩擦向前實現(xiàn)前進蜿蜒運動.這些動作除了要控制擺動角度外，還需要控制舵機的擺動速度，擺動速度可以有效地控制被動輪的位移，所以把當前節(jié)的擺動速度設(shè)置都比前一節(jié)慢，舵機的每個動作的擺動速度都是一樣的.每當蛇形機器人進行一個彎曲運動時，輪子會向前移動一段距離，進行伸展運動時，輪子則會往后回一段距離，但是前進距離比后退距離大，所以使得蛇形機器人整體向前移動.

蛇形機器人的6個動作如圖14所示.程序燒錄進控制器后，直接把串聯(lián)好的舵機接到控制器的舵機接口，通過控制器的電池供電，蛇形機器人就可以實現(xiàn)向前的前進蜿蜒運動的死循環(huán).該功能的控制程序如下圖15(1)(2)(3)(4)(5)(6)所示.

圖14 蛇形機器人的六個動作

圖15 前進蜿蜒運動控制程序

3.2 紅外測距傳感啟動功能的實現(xiàn)

在前進蜿蜒運動成功的前提下，給蛇形機器人加上一個紅外測距啟動的功能.利用NorthStar設(shè)置一個模擬輸入模塊，給紅外傳感器一個啟動條件，模擬量為ad.設(shè)計思路如流程圖圖16所示.控制器開機后，如果紅外測距傳感器檢測到ad值大于等于150的時候，程序就會進入前進蜿蜒運動的死循環(huán)，沒有檢測到的話就延時0.5 s再次檢測ad值是否大于等于150.

控制器開機ad≥150？↓Y進入直線蜿蜒運動↓N延時0．5s→←

圖16紅外啟動流程圖

圖17 紅外啟動控制程序流程圖

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ad模擬量值滿足條件ad≥150的話就進入前進蜿蜒運動的死循環(huán)，如不滿足條件，紅外測距傳感器就會延時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)計方面，曾試過設(shè)計不帶被動輪的蛇身結(jié)構(gòu)，在組裝都導(dǎo)致蛇形機器人只能在原地擺動，也曾試過設(shè)計帶3對被動輪的蛇身結(jié)構(gòu)，結(jié)果因為中間的一對被動輪往后退的距離太大，導(dǎo)致整條蛇形機器人不停往后退；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對被動輪的結(jié)構(gòu).在控制方面，先研究前進運動的時候，曾試過對舵機進行逐個控制，結(jié)果蛇形機器人得出的奇形怪狀的姿態(tài)；后來改成控制6個舵機一起擺動，但是在舵機擺動速度不變的情況下運動，蛇形機器人也只是在原地不停地彎曲擺動；直到最后通過觀察生物蛇蜿蜒運動的視頻，才發(fā)現(xiàn)蛇身擺動的速度應(yīng)該是又快又慢的，所以才有了后面調(diào)試舵機擺動速度快慢這一說，也因為如此，最終才把前進蜿蜒運動設(shè)計出來.最后，本文設(shè)計的六自由度蛇形機器人能夠?qū)崿F(xiàn)紅外測距啟動前進蜿蜒運動.

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