煤礦救援蛇形機(jī)器人的研制與控制

白 云，侯媛彬

(1.西安科技大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

0 引 言

救援機(jī)器人的研究已成為煤礦災(zāi)后安全高效救援的迫切需要。與傳統(tǒng)利用履帶或輪子移動(dòng)的機(jī)器人不同，蛇形機(jī)器人具有穩(wěn)定性好、多自由度、多運(yùn)動(dòng)步態(tài)、橫截面小等特點(diǎn)，能在各種粗糙、崎嶇的復(fù)雜地形上行走，穿越洞穴、越障能力強(qiáng)。能夠完成災(zāi)后井下環(huán)境探測(cè)、人員搜索、為井下被困人員和救援指揮中心之間提供通信平臺(tái)等任務(wù)。因此，針對(duì)煤礦災(zāi)后復(fù)雜的特殊環(huán)境，蛇形機(jī)器人能有效、迅速、可靠地響應(yīng)救援工作，為快速救援提供科學(xué)依據(jù)，從而提高救援效率，也是井下安全生產(chǎn)的必要保障。

日本東京大學(xué)的Hirose教授率領(lǐng)其科研團(tuán)隊(duì)在1972年研制出世界上第一臺(tái)蛇形機(jī)器人ACM(Active Cord Mechanism)，隨著研究的深入，出現(xiàn)了一系列的蛇形機(jī)器人，如ACM-R3機(jī)器人、ACM-R4機(jī)器人及ACM-R5機(jī)器人[1-3]。ACM-R5又可實(shí)現(xiàn)水下的自由游動(dòng)，其游動(dòng)速度最低為0.9 m/min.由美國(guó)密歇根大學(xué)研制的OmniTread系列機(jī)器人[4-6]中。OmniTread機(jī)器人共5節(jié)，總長(zhǎng)度1.27 m，總質(zhì)量13.6 kg，最高爬行速度可達(dá)到0.1 m/s，最高可翻越障礙物高度為45.7 cm.OmniTread OT-4機(jī)器人共7節(jié)，無(wú)線控制。除此之外，德國(guó)國(guó)家信息技術(shù)研究中心先后研制出GMD-Snake 和GMD-Snake 2蛇形機(jī)器人[7]，美國(guó)卡耐基梅隆大學(xué)研究了用于攀爬的模塊化蛇形機(jī)器人[8-9]，挪威科技大學(xué)研制了無(wú)輪式的蛇形機(jī)器人Aiko 和Kullo[10-11]，2016年，該大學(xué)又研制出一種可在無(wú)旋洋流中沿直線運(yùn)動(dòng)的水下蛇形機(jī)器人[12]。國(guó)內(nèi)的蛇形機(jī)器人研究起步較晚，但近年來(lái)發(fā)展較快，成果喜人[13-15]。中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化所研制出了三維蛇形機(jī)器人巡視者Ⅱ和探查者Ⅲ[16-17]。巡視者Ⅱ長(zhǎng)約1.2 m，由模塊化的萬(wàn)向單元組成，具有俯仰、偏航和回轉(zhuǎn)3個(gè)自由度，使得機(jī)器人具有更高的靈活性。探查者Ⅲ可實(shí)現(xiàn)水陸兩棲復(fù)雜環(huán)境的運(yùn)動(dòng)。

通過(guò)分析生物蛇的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，增強(qiáng)蛇形機(jī)器人的仿生爬行效率、運(yùn)動(dòng)靈活性和不同環(huán)境的適應(yīng)能力是國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)蛇形機(jī)器人進(jìn)行研究的目標(biāo)所在，早在1946年，Gray將生物蛇的運(yùn)動(dòng)方式分為直線、蜿蜒、伸縮和側(cè)向運(yùn)動(dòng)[18]。在研究蛇形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式時(shí)，采用不同的步態(tài)曲線具有不同的爬行效果。為建立合理的運(yùn)動(dòng)步態(tài)，使蛇形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)曲線被控制向生物蛇的步態(tài)曲線即理想曲線逼近并達(dá)到最優(yōu)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開(kāi)了相關(guān)研究，并取得了一些成果[19-20]。1993年，日本的Hirose教授通過(guò)生物蛇運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)，提出了用于逼近蜿蜒運(yùn)動(dòng)的Serpenoid曲線[21]。 2006年Yamada 等人采用Frenet-Serret 方程，建立了蛇形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的三維曲線模型[22]。 2009年，Liljeback P等人研究了障礙物輔助蛇形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)建模與控制[23]。2015年，郭憲等人提出一種避免奇異位形的速度跟蹤控制方法用于帶有被動(dòng)輪的蛇形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制中[24]。2016年，Zhang Xin等人提出了一種可重構(gòu)模塊化機(jī)制魔方蛇形機(jī)器人，通過(guò)改變模塊的位置關(guān)系改變機(jī)器人的配置，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其可控性[25]。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外蛇形機(jī)器人的研究取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，然而，目前的蛇形機(jī)器人存在：①大多采用單軸轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，只具有平面運(yùn)動(dòng)能力；②由三軸轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)組成的蛇形機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)三維運(yùn)動(dòng)，但對(duì)舵機(jī)的輸出力矩要求很高，從而導(dǎo)致機(jī)器人的尺寸大、功耗大、造價(jià)昂貴；③由于蛇體結(jié)構(gòu)尺寸大，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)效果不理想，需要實(shí)現(xiàn)蛇形機(jī)器人小型化；④若機(jī)器人遇到低矮障礙時(shí)，或外界干擾引起身形發(fā)生大幅度變化時(shí)，很難順利完成翻越運(yùn)動(dòng)。文中結(jié)合災(zāi)后煤礦巷道環(huán)境，研制出一種具有內(nèi)圓箍無(wú)外圈的葉片輪式蛇形救援機(jī)器人。在此基礎(chǔ)上建立機(jī)器人不同運(yùn)動(dòng)步態(tài)數(shù)學(xué)模型，將仿真得到最佳運(yùn)動(dòng)參數(shù)運(yùn)用到對(duì)蛇形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)中，在模擬的煤礦巷道中對(duì)蛇形機(jī)器人不同運(yùn)動(dòng)步態(tài)及避障和越障功能進(jìn)行驗(yàn)證。為蛇形機(jī)器人實(shí)施煤礦救援提供了科學(xué)依據(jù)。

1 煤礦救援蛇形機(jī)器人設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)械本體設(shè)計(jì)

考慮到煤礦災(zāi)后復(fù)雜的特殊環(huán)境，提出并設(shè)計(jì)出一種阻力小具有較強(qiáng)攀爬的無(wú)外圈的葉片輪，在此基礎(chǔ)上研制了一種具有內(nèi)圓箍無(wú)外圈的葉片輪式蛇形機(jī)器人，蛇形機(jī)器人總長(zhǎng)度為1 m，共5節(jié)。由蛇頭、蛇身和蛇尾組成，給出其機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。其特點(diǎn)為：

1)無(wú)外圈的葉片輪(17，18，19，20，21，22，23，24，25，26)作為蛇形機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)，每個(gè)葉片輪均由3個(gè)彈簧板(尺寸為80 cm×7 cm×2 cm(長(zhǎng)×寬×厚度))、3個(gè)彈簧板卡槽、內(nèi)圓箍直徑(20 mm)、D型輪軸孔(直徑3.2 mm)組成?，F(xiàn)以葉片輪(17)為例，如圖2(a)所示，其包括3個(gè)彈簧板(17-1-1，17-1-2，17-1-3)、3個(gè)彈簧板卡槽(17-2-1，17-2-2，17-2-3)、內(nèi)圓箍(17-3)、D型輪軸孔(17-4)。內(nèi)圓箍(17-3)的圓周面上每隔120度設(shè)置卡槽(17-2)用來(lái)固定彈簧板(17-1)；彈簧板(17-1)如圖2(b)所示，彈簧板的一端與卡槽(17-2)聯(lián)接，另一端(在30 mm處)彎成角度為150度的弧形，且彎曲方向與葉片輪前進(jìn)方向相同，D型輪軸孔(17-4)位于內(nèi)圓箍(17-3)的中心與直流減速電機(jī)聯(lián)接；D型輪軸孔上設(shè)計(jì)有特制的卡槽(與驅(qū)動(dòng)葉片輪直流減速電機(jī)軸同形狀，并留有1.8 mm的縫隙防止材料的熱脹冷縮造成的變形)，使得葉片輪上3個(gè)彈簧板向著同一旋轉(zhuǎn)方向安裝，為了防止在拆卸葉片輪時(shí)將其方向顛倒；

2)采用單元模塊的思想，如圖1所示，該機(jī)器人的蛇頭(6)由傳感器組和夜視儀組成，蛇身(29)由5個(gè)單元模塊、5個(gè)連接板、4個(gè)正交關(guān)節(jié)、2個(gè)速度舵機(jī)組成，蛇尾(7)由主控制器、避障模塊、通信模塊和動(dòng)力源組成；

3)圖1中，該機(jī)器人的蛇頭部分(6)包括傳感器組和夜視儀，安裝在單元模塊(1)的前端，傳感器組包括2個(gè)超聲波傳感器和一個(gè)紅外傳感器，夜視儀可設(shè)置為夜間模式和一般模式；

4)蛇身(29)由5個(gè)單元模塊(1，2，3，4，5)、5個(gè)連接板(12，13，14，15，16)、4個(gè)正交關(guān)節(jié)(8，9，10，11)、2個(gè)速度舵機(jī)(27，28)組成；其中，每一個(gè)正交關(guān)節(jié)包括一個(gè)垂直方向舵機(jī)和一個(gè)水平方向舵機(jī)；

5)5個(gè)單元模塊分別安裝在5個(gè)連接板上，并通過(guò)4個(gè)正交關(guān)節(jié)依次聯(lián)接組成蛇身。其中，單元模塊(2，3，4)結(jié)構(gòu)相同，分別具有2個(gè)方向舵機(jī)、2個(gè)直流減速電機(jī)和2個(gè)葉片輪，單元模塊(1，5)結(jié)構(gòu)相同，分別具有一個(gè)方向舵機(jī)、2個(gè)直流減速電機(jī)和2個(gè)葉片輪；

6)圖1中，蛇尾部分(7)包括主控制器、避障模塊、通信模塊和動(dòng)力源，安裝在單元模塊(5)的后端；

7)速度舵機(jī)(27)用來(lái)控制蛇形機(jī)器人左側(cè)的葉片輪(17，19，21，23，25)的轉(zhuǎn)動(dòng)；速度舵機(jī)(28)用來(lái)控制蛇形機(jī)器人左側(cè)的葉片輪(18，20，22，24，26)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 葉片輪式蛇形機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)Fig.1 Mechanical structureof the blades wheel snake robot

圖2 葉片輪結(jié)構(gòu)Fig.2 Blades wheel structure

設(shè)計(jì)制作的葉片輪實(shí)物圖如圖3(a)所示，研制的蛇形機(jī)器人進(jìn)入模擬煤礦巷，模擬煤礦巷道的結(jié)構(gòu)為一個(gè)半橢圓形隧道，如圖3(b)所示。

圖3 蛇形機(jī)器人實(shí)物Fig.3 Physical drawing of the snake robot

1.2 控制系統(tǒng)

煤礦救援蛇形機(jī)器人設(shè)計(jì)成自主式的，其控制系統(tǒng)如圖4所示。包括動(dòng)力源、環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)、機(jī)器人位姿控制系統(tǒng)、移動(dòng)機(jī)構(gòu)、主控制器、避障模塊、通訊系統(tǒng)和上位機(jī)系統(tǒng)，其中：動(dòng)力源包括E1和E2，其中E1為12.6 V的Li-PO可充電電池，充電電流1 300 mAh，E2為4.5 V的無(wú)汞堿性電池；環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)包括夜視儀和傳感器組，傳感器組由2個(gè)超聲波傳感器和一個(gè)紅外傳感器組成；機(jī)器人位姿控制系統(tǒng)主要由水平方向舵機(jī)和垂直方向舵機(jī)組成，選用M-24數(shù)字伺服電機(jī)，當(dāng)用做關(guān)節(jié)電機(jī)時(shí)，可旋轉(zhuǎn)0°～300°，提供高達(dá)16 kg·cm的扭矩，是一般數(shù)字舵機(jī)的2倍。每個(gè)舵機(jī)具有單獨(dú)ID號(hào)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)每一個(gè)舵機(jī)的單獨(dú)控制，從而控制蛇形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)步態(tài)；移動(dòng)機(jī)構(gòu)由速度舵機(jī)、10個(gè)直流減速電機(jī)及10個(gè)葉片輪組成；主控制器采用Vensmile迷你PC機(jī)；避障模塊采用Atmel公司的ATMEGA328P-PU為主控芯片；通訊系統(tǒng)是自組建局域網(wǎng)，完成數(shù)據(jù)和視頻圖像的傳輸功能；上位機(jī)系統(tǒng)包括蛇形機(jī)器人控制與運(yùn)動(dòng)的監(jiān)測(cè)監(jiān)控畫面以及實(shí)時(shí)顯示機(jī)器人所處模擬煤礦巷道環(huán)境畫面，并可對(duì)巷道中的裂縫、裂紋進(jìn)行智能識(shí)別和定位。

圖4 蛇形機(jī)器人控制系統(tǒng)Fig.4 Control system of snake robot

2 蛇形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)步態(tài)分析

生物蛇的步態(tài)曲線被作為理想的運(yùn)動(dòng)曲線，對(duì)蛇形機(jī)器人的控制就是讓其運(yùn)動(dòng)曲線去擬合這條理想曲線，從而得到蛇形機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的角度。下面對(duì)蛇型機(jī)器人的蜿蜒、伸縮、抬頭運(yùn)動(dòng)步態(tài)進(jìn)行分析。

2.1 蜿蜒運(yùn)動(dòng)

2.1.1 Serpenoid連續(xù)曲線的研究

采用Hirose教授提出的Serpenoid曲線作為蛇形機(jī)器人步態(tài)的產(chǎn)生方式，如圖5(a)所示，其簡(jiǎn)化的曲率方程為

ρ(s)=-absin(bs)+k

(1)

式中a為蛇形曲線初始角，(°)；b為蜿蜒運(yùn)動(dòng)時(shí)水平方向偏轉(zhuǎn)角的比例系數(shù)；k為曲率偏差；s為沿蛇形曲線軸線方向上的位移，m.

將式(1)對(duì)s進(jìn)行積分，則有

(2)

從而得到曲線上弧長(zhǎng)為s處的切線方向與水平方向的夾角

θ(s)=acos(bs)+ks

(3)

圖5 Serpenoid曲線Fig.5 Serpenoid curve

2.1.2 Serpenoid曲線的離散化

定義θi為該蛇形機(jī)器人的第i關(guān)節(jié)與x軸的夾角(偏轉(zhuǎn)角)，用式(4)表示為

(4)

式中a為蛇形曲線初始角，(°)；b為機(jī)器人偏轉(zhuǎn)角的比例系數(shù)；L為蛇形機(jī)器人總長(zhǎng)度，m；n為單元模塊數(shù)；k為曲率偏差；i為第i個(gè)關(guān)節(jié)，i=1,2,L,n.

定義φi為該蛇形機(jī)器人的第i個(gè)關(guān)節(jié)和第i-1個(gè)關(guān)節(jié)的相對(duì)轉(zhuǎn)角，有

φi=θi-θi-1

(5)

(6)

所以，蛇形機(jī)器人第i個(gè)關(guān)節(jié)在動(dòng)態(tài)情況下的轉(zhuǎn)角函數(shù)表示為

(7)

2.2 伸縮運(yùn)動(dòng)

伸縮運(yùn)動(dòng)是蛇形機(jī)器人正交關(guān)節(jié)中控制水平(即左右)方向的關(guān)節(jié)角度保持為0°，而垂直(即上下)方向的關(guān)節(jié)呈余弦曲線變化，伸縮運(yùn)動(dòng)可以理解為垂直方向的蜿蜒運(yùn)動(dòng)，因此，蛇形機(jī)器人的第i關(guān)節(jié)與水平方向的夾角(俯仰角)的表達(dá)式與(4)式相同，蛇形機(jī)器人的第i個(gè)關(guān)節(jié)和第i-1個(gè)關(guān)節(jié)的相對(duì)轉(zhuǎn)角的表達(dá)式與(6)式相同，動(dòng)態(tài)情況下的轉(zhuǎn)角函數(shù)表達(dá)式與(7)式相同，這里不再贅述。

2.3 抬頭運(yùn)動(dòng)

(8)

第i個(gè)關(guān)節(jié)在動(dòng)態(tài)情況下的轉(zhuǎn)角函數(shù)表示為

(9)

綜上所述，該機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)中，根據(jù)不同步態(tài)進(jìn)行控制的規(guī)則為

1)在蜿蜒運(yùn)動(dòng)情況下，由式(4)計(jì)算關(guān)節(jié)的偏轉(zhuǎn)角，采用式(6)計(jì)算關(guān)節(jié)的相對(duì)轉(zhuǎn)角；

2)在伸縮運(yùn)動(dòng)情況下，由式(4)計(jì)算關(guān)節(jié)的俯仰角，采用式(6)計(jì)算關(guān)節(jié)的相對(duì)轉(zhuǎn)角；

3)在抬頭運(yùn)動(dòng)情況下，由式(8)計(jì)算關(guān)節(jié)的相對(duì)轉(zhuǎn)角，在動(dòng)態(tài)情況下，采用式(9)得到第i個(gè)關(guān)節(jié)的相對(duì)轉(zhuǎn)角隨時(shí)間變化的曲線。

3 仿真及運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)

3.1 仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

仿真實(shí)驗(yàn)包括蜿蜒運(yùn)動(dòng)和抬頭運(yùn)動(dòng)的仿真實(shí)驗(yàn)，其中，蜿蜒運(yùn)動(dòng)包括：①當(dāng)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)生物蛇的關(guān)節(jié)角度(即偏轉(zhuǎn)角)的變化情況如圖6(a)、(b)所示；②當(dāng)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)蛇形機(jī)器人的關(guān)節(jié)角度(即偏轉(zhuǎn)角)的變化情況如圖7(a)、(b)所示；抬頭運(yùn)動(dòng)包括：①當(dāng)參數(shù)變化時(shí)，對(duì)蛇形機(jī)器人的抬頭運(yùn)動(dòng)控制的影響如圖8(a)所示；②當(dāng)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)蛇形機(jī)器人關(guān)節(jié)的相對(duì)轉(zhuǎn)角的變化情況如圖8(b)所示；在以上的仿真實(shí)驗(yàn)中，均令曲率偏差k=0.

圖6 生物蛇的關(guān)節(jié)角度變化曲線Fig.6 Joint angle change curve of biological snake

圖7 蛇形機(jī)器人關(guān)節(jié)角度變化曲線 Fig.7 Joint angle change curve of snake robot

圖6(a)、(b)給出了公式(3)中當(dāng)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)生物蛇的關(guān)節(jié)角度(即偏轉(zhuǎn)角)的變化情況，設(shè)生物蛇體曲線總弧長(zhǎng)為1 m，當(dāng)b=2π，a取不同值時(shí)，生物蛇的關(guān)節(jié)角度(即偏轉(zhuǎn)角)的變化曲線如圖6(a)所示，可以看出，當(dāng)b=2π時(shí)，無(wú)論a的取值如何變化，曲線在1 m內(nèi)都保持一個(gè)完整的波形。而參數(shù)a的取值會(huì)影響曲線的初始角度，若a增加，則初始角度增加；當(dāng)a=π/4，b取不同值時(shí)，生物蛇的關(guān)節(jié)角度(即偏轉(zhuǎn)角)的變化曲線如圖6(b)所示，可以看出，當(dāng)a=π/4時(shí)，無(wú)論b的取值如何變化，蛇形曲線的初始角度不會(huì)改變。而參數(shù)b的取值會(huì)影響蛇形曲線在1 m內(nèi)的波形個(gè)數(shù)，若b增加，則波形個(gè)數(shù)增加。

圖7(a)、(b)給出了公式(4)中當(dāng)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)蛇形機(jī)器人的關(guān)節(jié)角度(即偏轉(zhuǎn)角)的變化情況，蛇形機(jī)器人總長(zhǎng)度為1 m，由5個(gè)長(zhǎng)度為0.2 m的單元模塊串行聯(lián)接而成，當(dāng)b=2π，a取不同值時(shí)，蛇形機(jī)器人的關(guān)節(jié)角度(即偏轉(zhuǎn)角)的變化曲線如圖7(a)所示，可以看出，與生物蛇的連續(xù)曲線相比，此時(shí)得到的蛇形機(jī)器人曲線比較平滑，由于受舵機(jī)的性能限制，防止發(fā)生舵機(jī)堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象，曲線的初始角度最好是不要超過(guò)π/2.因此，a取值為[0 π/2]這個(gè)區(qū)間；當(dāng)a=π/4,b取不同值時(shí)，蛇形機(jī)器人的關(guān)節(jié)角度(即偏轉(zhuǎn)角)的變化曲線如圖7(b)所示，可以看出，與生物蛇的連續(xù)曲線相比，此時(shí)得到的蛇形機(jī)器人曲線發(fā)生明顯的變化。隨著b的增加，一個(gè)波形周期內(nèi)的關(guān)節(jié)數(shù)逐漸減少，當(dāng)b=2π時(shí)，一個(gè)波形周期內(nèi)完整顯示了蛇形機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，即單元模塊數(shù)為5，關(guān)節(jié)數(shù)為4，而當(dāng)b=4π時(shí)，一個(gè)波形周期內(nèi)僅包含蛇形機(jī)器人單元模塊數(shù)為2，關(guān)節(jié)數(shù)為2，由于b的增加影響了蛇形曲線的形成，因此，b取值為[0 4π]這個(gè)區(qū)間。結(jié)合圖6、圖7，選取a=π/4，b=2π為蛇形機(jī)器人蜿蜒和伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)的最優(yōu)參數(shù)。

圖8(a)給出了公式(8)中當(dāng)參數(shù)變化時(shí)對(duì)蛇形機(jī)器人的抬頭運(yùn)動(dòng)控制的影響，當(dāng)a=π/4，i=1時(shí)，可以確定若0≤c/l≤15時(shí)對(duì)角度值的調(diào)節(jié)比較明顯，但在0≤c/l≤5時(shí)角度值成反向變化，對(duì)機(jī)器人抬頭運(yùn)動(dòng)不利，所以設(shè)定5≤c/l≤15.圖8(b)給出了公式(9)中當(dāng)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)蛇形機(jī)器人關(guān)節(jié)的相對(duì)轉(zhuǎn)角的變化情況，當(dāng)a=π/4，i=1,b=26,n=5時(shí)，隨著ω取值的增加，在0～5 s內(nèi)，蛇形機(jī)器人曲線的波形個(gè)數(shù)增加。ω的取值對(duì)角度的變化不產(chǎn)生影響。機(jī)器人抬頭時(shí)，第一個(gè)關(guān)節(jié)的相對(duì)轉(zhuǎn)角在-45.9°～45.9°之間變化。

圖8 蛇形機(jī)器人抬頭運(yùn)動(dòng)分析Fig.8 Analysis of the snake robot’s head rising motion

3.2 運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

蛇形機(jī)器人尺寸為100 cm×10 cm×7 cm(長(zhǎng)×寬×高)，具有5個(gè)尺寸相同的單元模塊，下面，對(duì)機(jī)器人的進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了不同運(yùn)動(dòng)步態(tài)的可實(shí)現(xiàn)性。

蛇形機(jī)器人的工作方式分有線和無(wú)線2種，實(shí)驗(yàn)調(diào)試時(shí)采用有線工作方式，圖9在有線工作方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。如圖9中的(a)、(c)、(e)圖所示，蛇形機(jī)器人具有4個(gè)正交關(guān)節(jié)，且結(jié)構(gòu)相同，即通過(guò)2個(gè)∪型件將前一個(gè)單元模塊末端的舵機(jī)與后一個(gè)單元模塊前端的舵機(jī)聯(lián)接。前一個(gè)單元模塊末端的舵機(jī)控制機(jī)器人垂直方向的運(yùn)動(dòng)，負(fù)責(zé)蛇形機(jī)器人抬頭、躬身的越障變形姿態(tài)；后一個(gè)單元模塊前端的舵機(jī)控制機(jī)器人水平方向的運(yùn)動(dòng)，負(fù)責(zé)蛇形機(jī)器人轉(zhuǎn)彎、蜿蜒的避障功能。通過(guò)實(shí)驗(yàn)并將4.1中仿真得到的最優(yōu)運(yùn)動(dòng)參數(shù)運(yùn)用到機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制中，可以得到上述3種不同運(yùn)動(dòng)步態(tài)下蛇形機(jī)器人的關(guān)節(jié)角度見(jiàn)表1.

表1 蛇形機(jī)器人的關(guān)節(jié)角度

機(jī)器人的避障和越障功能如圖10所示。

圖9 蛇形機(jī)器人不同運(yùn)動(dòng)步態(tài)控制實(shí)驗(yàn)及仿真圖形Fig.9 Experiments on different gaits control and simulation graphics of the snake robot

圖10 蛇形機(jī)器人避障和越障功能Fig.10 Functions of obstacle avoidance and climbing over the obstacle of the snake robot

4 結(jié) 論

1)研制了一種煤礦蛇形救援機(jī)器人，總長(zhǎng)度為1 m，共5節(jié)。由蛇頭、蛇身和蛇尾組成，其中，蛇頭部分由傳感器組和夜視儀組成；蛇身部分由5個(gè)單元模塊、5個(gè)連接板、4個(gè)正交關(guān)節(jié)、2個(gè)速度舵機(jī)組成；蛇尾部分由主控制器、避障模塊、通信模塊和動(dòng)力源組成；

2)移動(dòng)機(jī)構(gòu)采用自制葉片輪驅(qū)動(dòng)，通過(guò)10個(gè)直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)10個(gè)葉片輪前進(jìn)。該葉片輪使得機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)中阻力小并有更好的攀爬和越障能力；

3)以簡(jiǎn)化的Serpenoid曲線為基礎(chǔ)，詳盡分析生物蛇蜿蜒、伸縮、抬頭步態(tài)時(shí)的運(yùn)動(dòng)機(jī)理和運(yùn)動(dòng)特性，推導(dǎo)出各種運(yùn)動(dòng)步態(tài)時(shí)的關(guān)節(jié)角度，并建立不同運(yùn)動(dòng)步態(tài)的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)仿真得到最佳運(yùn)動(dòng)參數(shù)；根據(jù)所建立的數(shù)學(xué)模型，在模擬的煤礦巷道中，將仿真得到最佳運(yùn)動(dòng)參數(shù)運(yùn)用到對(duì)蛇形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)中，驗(yàn)證了不同運(yùn)動(dòng)步態(tài)的可實(shí)現(xiàn)性。研制的煤礦救援蛇形機(jī)器人在2016年中國(guó)教育機(jī)器人大賽中獲得特等獎(jiǎng)，可為蛇形機(jī)器人實(shí)施煤礦救援提供科學(xué)依據(jù)。