一種新型蛇形機(jī)器人的機(jī)構(gòu)研究與設(shè)計(jì)

柳炳琦，任米鑫，鄭瑞，唐羽峰

（成都大學(xué)，四川 成都 610106）

0 引 言

蛇形機(jī)器人在無損檢測、軍事探測、醫(yī)療救護(hù)和航空航天等領(lǐng)域取得了長足的發(fā)展，在保障國家安全、推動經(jīng)濟(jì)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。蛇形機(jī)器人因具有體積小、自由度高、適應(yīng)性強(qiáng)等特征，適合應(yīng)用于復(fù)雜的工作環(huán)境中。

縱觀國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，蛇形機(jī)器人因具有在空間范圍內(nèi)運(yùn)動的能力而成為研究熱點(diǎn)。許多學(xué)者研究的蛇形機(jī)器人存在三維空間運(yùn)動能力弱的問題，導(dǎo)致蛇形機(jī)器人出現(xiàn)運(yùn)動能力差、結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的情況。鑒于此，本文提出并設(shè)計(jì)一種新型蛇形機(jī)器人機(jī)構(gòu)，通過合理的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，減小了蛇形機(jī)器人結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，為系統(tǒng)后期的維護(hù)提供便利。通過仿真實(shí)驗(yàn)充分驗(yàn)證了該蛇形機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，達(dá)到了預(yù)期效果。

1 機(jī)構(gòu)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

蛇形機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)由蛇身關(guān)節(jié)、蛇頭關(guān)節(jié)和蛇尾關(guān)節(jié)組成。通過分析生物蛇的運(yùn)動方式（蜿蜒運(yùn)動、收縮運(yùn)動、斜側(cè)運(yùn)動等）和骨骼構(gòu)造，采用SolidWorks 三維設(shè)計(jì)軟件對蛇形機(jī)器人的整體機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。要使蛇形機(jī)器人像生物蛇一樣具有豐富的運(yùn)動步態(tài)，蛇身具有盡可能大的自由度是關(guān)鍵。蛇形機(jī)器人是基于摩擦的原理進(jìn)行運(yùn)動的，所以蛇身的長度決定了蛇形機(jī)器人運(yùn)動的性質(zhì)，而要想蛇形機(jī)器人的長度能夠改變，蛇形機(jī)器人應(yīng)該具備可以更改長度的能力。所以選用可重構(gòu)式的結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)更加簡單和方便，控制起來也不復(fù)雜，蛇身的總長度由單節(jié)蛇身的長度和蛇身的節(jié)數(shù)共同決定，整體設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

圖1 蛇形機(jī)器人整體設(shè)計(jì)圖

1.1 蛇身關(guān)節(jié)模塊設(shè)計(jì)

蛇身關(guān)節(jié)采用P-R 連接方式，這種連接方式具有高自由度與高可靠性，其原理為兩個相互正交的旋轉(zhuǎn)副之間可以相對轉(zhuǎn)動，從而產(chǎn)生一個球形空間范圍內(nèi)的移動。采用這種連接方式，在實(shí)現(xiàn)三維運(yùn)動的同時可以減小蛇形機(jī)器人模塊的載荷，從而延長驅(qū)動模塊的使用壽命。P-R 連接方式的機(jī)構(gòu)簡圖如圖2所示，對蛇身關(guān)節(jié)上用于驅(qū)動的舵機(jī)的位置布置進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖2 P-R 連接方式機(jī)構(gòu)簡圖

在建模之后，確定的單節(jié)蛇身結(jié)構(gòu)如圖3所示，當(dāng)蛇身重構(gòu)數(shù)量足夠多時，通過每節(jié)橫移舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生各節(jié)蛇身之間的夾角，每一節(jié)的夾角相累加，就能得到總體的彎曲弧度，再通過橫移舵機(jī)的帶動產(chǎn)生蛇蜿蜒運(yùn)動的效果；俯仰舵機(jī)主要是實(shí)現(xiàn)蛇形機(jī)器人高度抬升、關(guān)節(jié)俯仰變化的效果。在每節(jié)蛇身連接處采用電滑環(huán)的目的是解決蛇身旋轉(zhuǎn)繞線的問題。同時，電滑環(huán)與軸承轉(zhuǎn)盤的組合可以使蛇身的旋轉(zhuǎn)相對獨(dú)立，即每節(jié)的旋轉(zhuǎn)不會對其他節(jié)造成影響，這樣的設(shè)計(jì)可減少蛇身的翻轉(zhuǎn)舵機(jī)在翻轉(zhuǎn)過程中所受到的載荷，保證舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)精度，使步態(tài)更加完整和精確。其次，若將舵機(jī)替換為電機(jī)，則能夠使蛇形機(jī)器人實(shí)現(xiàn)類似輪式運(yùn)動的步態(tài)。當(dāng)蛇身呈“凹”字形伸展時，兩臂側(cè)的蛇身可以作為蛇形機(jī)器人的“輪”，通過兩節(jié)蛇身的轉(zhuǎn)動，帶動蛇形機(jī)器人運(yùn)動。

圖3 蛇身關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖

1.2 蛇頭關(guān)節(jié)模塊設(shè)計(jì)

蛇頭關(guān)節(jié)模塊是蛇形機(jī)器人的關(guān)鍵所在，其承載了整個系統(tǒng)的核心部件（主控制板、攝像頭等），如圖4所示為蛇頭關(guān)節(jié)模塊設(shè)計(jì)圖。蛇頭的設(shè)計(jì)綜合考慮了與蛇身關(guān)節(jié)的高度連接，其中1 為蛇頭舵機(jī)連接件，2 為蛇頭面罩固定模塊，3 為蛇頭面罩，4 為控制蛇頭上下轉(zhuǎn)動的舵機(jī)。

圖4 蛇頭關(guān)節(jié)模塊設(shè)計(jì)圖

1.3 蛇尾關(guān)節(jié)模塊設(shè)計(jì)

蛇尾關(guān)節(jié)模塊承載著整個系統(tǒng)的傳感模塊（激光測距傳感器、溫濕度傳感器），其設(shè)計(jì)要點(diǎn)與蛇頭類似，如圖5所示為蛇尾關(guān)節(jié)模塊設(shè)計(jì)圖。蛇尾的設(shè)計(jì)也需要考慮與蛇身關(guān)節(jié)的高度連接。

圖5 蛇尾關(guān)節(jié)模塊設(shè)計(jì)圖

圖例：（1）蛇尾連接件；（2）控制蛇尾轉(zhuǎn)動的舵機(jī)；（3）蛇尾面罩；（4）測距激光傳感器；（5）鋰電池；（6）傳感器固定模塊；（7）溫濕度傳感器

2 蛇身關(guān)節(jié)有限元分析

對蛇身關(guān)節(jié)的受力處進(jìn)行有限元分析，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的有效性，蛇形機(jī)器人的關(guān)節(jié)在運(yùn)動過程中主要受力的部件有兩個，分別是連接件與蛇身支架。連接件所受的力為俯仰方向與橫向移動的拉應(yīng)力，所以，按照最大拉應(yīng)力的零件危險(xiǎn)處發(fā)生脆性斷裂破壞的條件是：

圖6 連接件應(yīng)力云圖

同樣，對蛇身支架進(jìn)行有限元分析。蛇身機(jī)架所受到的載荷主要為相鄰連接件間的幾節(jié)蛇身橫向移動的切應(yīng)力。根據(jù)材料發(fā)生屈服破壞的條件為：

式（3）中，最大切應(yīng)力達(dá)到單向應(yīng)力狀態(tài)下的極限切應(yīng)力 ，每一節(jié)蛇身的總體重量約為500 克，舵機(jī)可以提供的扭矩為22 kg/cm，考慮到第5 節(jié)蛇身機(jī)架所受的橫向阻力為28 N，對第五節(jié)蛇身機(jī)架進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析，分析結(jié)果如圖7所示。

圖7 蛇身機(jī)架應(yīng)力圖

通過對兩個主要受力部件 的分析可以得出，設(shè)計(jì)是完全合理的，能夠滿足正常工作所需的應(yīng)力要求，所以可以采用當(dāng)前的蛇形機(jī)器人結(jié)構(gòu)進(jìn)行下一步的運(yùn)動仿真。

3 蛇形機(jī)器人運(yùn)動仿真

蛇形機(jī)器人的運(yùn)動控制方式特別多，比較主流的控制方式有三種。第一種是近年來比較火熱的CPG 控制方式；第二種是通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)所得到的運(yùn)動步態(tài)控制方式；第三種是基于Serpenoid 控制 函數(shù)進(jìn)行控制，也是本文采用的控制方式。Serpenoid 控制函數(shù)是模仿蛇體真實(shí)運(yùn)動的控制函數(shù)，由日本教授Hirose 通過長期觀察蛇類生物的運(yùn)動而得來。結(jié)合本文設(shè)計(jì)的蛇身結(jié)構(gòu)，可得改進(jìn)的角度函數(shù)為：

式（4）中，為蛇形機(jī)器人的關(guān)節(jié)個數(shù)1，2，3……，為蛇身轉(zhuǎn)動的頻率，φ為第節(jié)蛇身與第-1 節(jié)蛇身的夾角，為角度函數(shù)的初始相位，為系統(tǒng)的偏轉(zhuǎn)角為0 時蛇身轉(zhuǎn)角的幅值，為系統(tǒng)的偏轉(zhuǎn)角。

將=0，=0 代入式（4）進(jìn)行初始位置計(jì)算，發(fā)現(xiàn)=0時舵機(jī)并不在初始位置，故對上式進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的公式如（5）所示，添加了一個影響因素，這里≥1。

運(yùn)動仿真即是對所設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)動能力的檢驗(yàn)，利用專業(yè)的仿真軟件可以在模擬環(huán)境的狀態(tài)下分析機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動能力，得到其運(yùn)動參數(shù)，及時緩解結(jié)構(gòu)上所存在的一些阻礙運(yùn)動的問題，減少研發(fā)產(chǎn)品的周期時長，縮減設(shè)計(jì)和生產(chǎn)成本。在運(yùn)動仿真這一模塊中，采用的分析軟件是Adams，因?yàn)锳dams 是可以進(jìn)行虛擬樣機(jī)分析的應(yīng)用軟件，用戶可以使用該軟件對虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動學(xué)和動力 學(xué)分析。

將SolidWorks 中制作好的模型轉(zhuǎn)換為.x_t 格式并導(dǎo)入到Adams/View 中，設(shè)置好約束、運(yùn)動副、接觸力以及驅(qū)動函數(shù)，運(yùn)用如前所述的Ser penoid 控制函數(shù)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制，并對蜿蜒這一步態(tài)進(jìn)行步態(tài)仿真。首先導(dǎo)入格式為.x_t 的裝配體；然后對裝配體的部件進(jìn)行約束，如圖8所示；接著對運(yùn)動副施加驅(qū)動力，再對運(yùn)動進(jìn)行仿真，得到仿真結(jié)果。

圖8 Adams 中對模型施加約束圖

圖9 蛇形機(jī)器人A=時的步態(tài)仿真

圖10 蛇形機(jī) 器人A=時的步態(tài) 仿真

蛇形機(jī)器人的蜿蜒運(yùn)動類似于弦波函數(shù)的圖像，各節(jié)蛇身之間的夾角 越大，蛇形機(jī)器人的蜿蜒步態(tài)曲率也會隨之增大，就會出現(xiàn)類似弦波函數(shù)圖像的波峰與波谷的步態(tài)。要保證蛇身有一定的蜿蜒運(yùn)動曲率，但又不能過大，蛇身才能更好地利用蜿蜒運(yùn)動產(chǎn)生的摩擦力進(jìn)行平移，所以合理確定蛇形機(jī)器人的蜿蜒曲率是保證蛇形機(jī)器人更好運(yùn)動的前提。

通過運(yùn)動仿真可以看出蛇形機(jī)器人的蜿蜒運(yùn)動曲率較為明顯，在保證其他參數(shù)不變的情況下，參數(shù)的值越大，蛇形機(jī)器人的擺動幅度越小。所以，蛇形機(jī)器人的結(jié)構(gòu)能夠支撐其進(jìn)行各種相應(yīng)的運(yùn)動，設(shè)計(jì)方案比較合理。

4 結(jié) 論

本文論述了采用多自由度與高穩(wěn)定性P-R 連接方式蛇身機(jī)構(gòu)的可行性，電滑環(huán)和軸承轉(zhuǎn)盤的組合結(jié)構(gòu)取代了傳統(tǒng)的蛇 身舵機(jī)之間的直連方式，更能適應(yīng)多變的環(huán)境?；赟erpenoid 控制函數(shù)控制蛇形機(jī)器人的蜿蜒步態(tài)，通過對所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的有限元分析驗(yàn)證了本模型的合理性，通過Adams 運(yùn)動分析驗(yàn)證了蛇形機(jī)器人模型的可行性。該結(jié)構(gòu)具有組成簡單、抗干擾能力強(qiáng)、控制方便、研發(fā)成本低等優(yōu)點(diǎn)，為野外探測、軍事偵察等活動提供了極大的便利。