仿蛇形机器人蠕动机构的设计 - 图文

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1 引言

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机器人的诞生和发展与科学技术革命有着密切的关系，符合科技革命关于生产实践需要的理论。机器人作为一种高技术，也是不断发展和完善的，这种不断的发展和完善是通过科技革命的内在推动力来实现的。同时，机器人的发展和广泛应用，使科学技术成为显见的生产力，极大地推动着科学技术的发展，推动着人民生活的改善，推动着生产力的提高，推动着整个社会的进步。机器人技术作为当今科学技术发展的前沿学科，将成为未来社会生产和生活中不可缺少的角色。

机器人，英语为ROBOT，意思是一种干脏活的人形机器。它体现了人类长期以来的一种愿望，即创造一种像人一样的智能机器，以便能够代替人去进行各种各样的工作。机器人虽然是一个新造词，但关于机器人这一思想的渊源，却可以追溯到遥远的古代。早在我国西周时期，就有能工巧匠侣师制作了一个歌舞“机器人”献给周穆王；公元前3世纪，古希腊发明家戴达罗斯用青铜为可里特岛国王迈诺斯塑造了一个守卫宝岛的青铜卫士塔罗斯；我国东汉时期，张衡发明了用于军事的指南车，可以说它是最早的移动机器人雏形[1]。

随着科技的发展，18世纪出现了以蒸汽机发明为标志的第一次技术革命，这引起了古代机器人技术的进步。1893年More制造了“蒸汽人”，它的腰由杆件支撑，靠蒸汽驱动双腿沿圆周运动。以上这些自动玩具或自动作业机的出现均是以当时的科学和技术为基础。用现代的眼光来看，它们的功能是单一的，实现方法是落后的，但它们却代表了当时的最高科技水平[1]。

20世纪，人类取得了辉煌的成就，从量子力学、相对论的创立，原子能的应用，脱氧核糖核酸双螺旋结构的发现，到信息技术的腾飞，人类基因工作草图的绘就，世界科学发生了深刻的变革。信息技术、生物技术、新材料技术、先进制造技术、海洋技术、航空航天技术等都取得了重大突破。此时，科学技术化，技术科学化，科学技术密不可分，出现了人类历史上第一次科学与技术的综合性革命――现代科技革命圆。

现代机器人是电子工程学、机械学、控制论与控制工程学、计算机科学与工程、人类学、社会学、人工智能、生物学等多学科的集成，所以它是多学科科技革命的必然结果。

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当时电子计算机已经出现，电子技术也有了长足的发展，产业领域出现了受计算机控制的可编程的数控机床，与机器人相关的控制技术和零部件加工有了扎实的基础。另一方面，人类需要开发自动机械，代替人去从事一些恶劣环境下的工作，比如在原子能的研究过程中，由于存在大量放射性，要求用某种操作机械代替人来处理放射性物质。正是在这一背景下，美国原子能委员会的阿尔贡研究所于1947年开发了一种遥控机械手代替人，1948年又开发了主从机械手。1954年美国人乔治?德沃尔设计出了第一台可编程(示教再现型)的工业机器人，在此基础上，创建了Un5m此on公司，并于1962年生产出来，取名为Unimate。此机器人在美国通用汽车公司(CM)投入使用，这标志着第一代机器人的诞生。从此，机器人开始成为社会系统中的一员，影响着社会的发展、科技的进步。

从20世纪60年代初，美国生产出最初的工业机器人，到20世纪80年代初，机器人技术经历了一个长期缓慢的发展过程。到了20世纪90年代，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机器人技术也得到了飞速发展。除了工业机器人水平不断提高之外，各种用于非制造业的先进机器人系统也有了长足的进展。现将按工业机器人、特种机器人两条技术发展路线分述机器人的发展进程。

从机器人的发展进程可以看出，随着计算机技术、人工智能技术、信息技术等的飞速发展，使机器人在功能和技术层次上有了很大的提高，机器人的视觉、触觉、自主控制等技术就是典型的代表。由于这些技术的发展，推动了机器人概念的延伸。20世纪80年代，将具有感觉、思考、决策和动作能力的系统称为智能机器人，这是一个概括的、含义广泛的概念。这一概念不但指导了机器人技术的研究和应用，而且又赋予了机器人技术向深广发展的巨大空间，水下机器人、空间机器人、空中机器人、地面机器人、微小型机器人等各种用途的机器人相继问世，许多梦想成为了现实。将机器人的单元技术渗透到社会的各个领域形成了各式各样的新机器――机器人化机器。当前与信息技术的交互和融合产生了“软件机器人”、“网络机器人”；与纳米技术、分子生物学的交叉和融合又产生了“纳米机器人”；今后也许与克隆技术的结合将会产生“克隆机器人”问。这说明了机器人所具有的创新活力，也说明了客观世界是一个相互作用，相互联系的统一世界。任何一门学科都是对客观世界某一方面或某种运动形式的本质和规律的正确反映，客观世界普遍联系的特征也必然会在各门学科的思想、理论体系中反映出来，同时也决定了各门学科之间的相互联系、相互依赖和相互作用的关系，决定了它们是一个有机联系的科学整体。机器人融合了计算机、

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信息、自动控制、机械、仿生等技术，从而使机器人技术的发展与其它学科的技术发展极为密切。纵观机器人的发展史，我们可以发现机器人是随着其它学科的兴旺发达而呈现出勃勃生机的。

在本文中将介绍和研究仿生机器人的一种——蛇形机器人。

1．1 仿蛇形机器人的原理及研究热点

机器入学本身就是一个多学科交叉的学科，她需要多方面知识的融合。蛇形机器人作为机器人系统，也需要机构、控制、电子、通讯和智能等各个方面的支撑。本文粗略地将蛇形机器人的主要研究内容分为如下几个方面：

蛇的运动原理研究：蛇的运动形式独特，运动姿态复杂。很多学者已经对蛇的运动原理和运动形式做了研究，但绝大部分是从生物角度出发的。近些年随着仿生机器人的发展，机器入学者开始从机器人运动角度来研究蛇的运动原理，这是设计蛇形机器人的前提。

蛇形机器人机构：机构设计是蛇形机器人研究的核心和基础。在机构设计阶段，必须综合考虑蛇形机器人的控制方式、电路情况、通讯方式和电源情况。如果要加传感器，必须考虑传感器的信息融合。根据蛇的骨骼结构，目前蛇形机器人的单元大多采用模块化设计，模块化设计节约设计和生产成本，方便维修。如果采用精巧的连接机构和连接电路，蛇形机器人就成为可重构机器人的一种构形状态。

蛇形机器人运动形式和运动原理：这方面的研究主要有两个出发点，一个是根据自然蛇的运动状态，研究和提出适合蛇形机器人的运动形式。另一个是根据本身的机械系统建立蛇形机器人的物理模型，提出控制规律，研究蛇形机器人的运动原理。

蛇形机器人的控制方法：蛇形机器人具有超多的自由度，对蛇形机器人的控制无论在硬件上还是软件上都是一种挑战。现在，与机构相对应，蛇形机器人的控制一般也采用模块化的设计理念。每个模块化单元都包括控制（软件和硬件）单元。

蛇形机器人的环境识别：蛇形机器人要达到应用的目的，必须具有高度的适应性、运动能力。环境是影响蛇形机器人运动的重要因素，同一种运动方式在不同的环境中的运动效果截然不同。例如：在光滑地面上的和粗糙地面上的蜿蜒运动效果相差甚远，尤其是在沙滩上蜿蜒运动简直不能前进。所以必须选择合适的一个或一组传感器来识别环境信息。

蛇形机器人的智能控制：完成从上层的自主决策到下层的运动控制，使蛇形机器人成为真正意义上的智能机器人，是研究蛇形机器人的最终目标。

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1．2 仿蛇形机器人的研究意义

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传统的比较早的移动方式大多基于连续转动原理，靠轮子与地面作用实现运动；它的运动效率比较高，它对地面环境要求比较严格，比较适于平坦而质地比较硬的路况；为了增加地面的适应能力，后来出现了履带式，但它还不能充分体现运动的灵活性；这就促进了人们寻找新的运动模式。随着仿生学的发展，人们把目光瞄向了生物界；较早出现的步行机器人是四足的，后来又陆续出现了两足的、六足以及多足机器人，步行机器人在一定程度上提高机器人的地面适应能力，但美中不足，它的稳定性及在松软地面的适应性比较差；于是在21世纪40年代人们又把目光转向了蛇，开始思索一种新的运动模式——“无肢运动”[1]。

大多数己知生物和运输工具在运动时有一个共性：他们与地面的接触点是变化的；比如人是靠两腿的交替变化行走的；车子是靠车轮在地面上滚动，不停地改变接触点行走的。然而蛇在行进过程中，它的整个身体与地面接触，它与地面的接触点是不变的。从这一点上讲，蛇是一种特例。从运动效率上讲，滚动高于移动，两足高于四足，也就是说随着运动物体与支持面的接触点的增多，它的运动效率也相应的降低，因此蛇的运动效率较其他有肢动物来说，比较低，但从另一角度讲，随着接触点得增多，它对地面得适应能力增强，汽车只能在平坦硬质的地面上行驶，两足的稳定性比较差而且对地面的要求也比四足高，因此蛇适应能力是最强的，它不但可以在崎岖的山路上行走如飞，而且可以在沙漠沼泽地上蜿蜒前进。作为有肢运动和无肢运动的完美结合，当属履带式，虽然其接触面大了，却提高了对松软地面的适应能力，但其仍可简化为两杆系统，相对于蛇这种多杆系统来说，身体柔性明显减弱，不能使用于崎岖不平的山区。

按生物进化的观点，任何生命都有存在的理由，都有对其生存环境的适应性，这是千百年来自然选择的产物。在移动机器人领域，也不可能制造一种万能机械，只能根据环境的要求，提出相应的设计方案；任何事物都是有利必有弊，不可能两者兼得，关键是看我们追求的重点。假如追求高效率，那么轮式的是首选；假如追求在非结构化环境的适应性，而对效率要求不高，多杆系统（蛇形机器人）为最佳。

1．3 蛇形机器人的优缺点和用途

虽然蛇形机器人已经表现出了良好的运动能力和适应环境的能力，但是与其它一切事物一样，蛇形机器人也不是十全十美的尤物，它具有很多优点，当然也存在很多

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不足。因此，蛇形机器人的应用环境和场合也受到一定的限制。 1.3.1 蛇形机器人的优点

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模仿蛇的身体结构制作的蛇形机器人，不仅具有机构简单的特点，而且调整超冗余的身体使其能够适应环境。蛇形机器人具有蛇的运动特点能够完成以下功能：

1)蛇形机器人的超多自由度使其身体具有柔软的特性，能够充分适应地形，完成在粗糙不平地面上的爬行动作。

2)蛇形机器人能够将体重平均分配到支撑面上，使其能够在沼泽或者沙地上爬行。这一特性使蛇形机器人能够在强度比较低的平面上运动，例如：地震过后的楼房地板，对抢险救灾的应用十分有利。

3)蛇形机器人具有细而长的体形，通过运动学的规划，它能够跨越窄沟和穿过细小的空隙，这是轮式或者腿式移动机器人很难完成的任务。

4)将蛇形机器人的一端固定，它可以作为超冗余机械手完成各种复杂的抓取动作。而且其本身的自由度就可以作为操作臂的夹持器来夹持物体，不用象传统工业机器人那样配备相应的夹持器。可以说，蛇形机器人在功能上是个多面手。

5) 一般，蛇形机器人采用模块化设计，每个模块都相同，方便安装和维修。特别值得一提的是，近几年来可重构模块化机器人的研究也是机器人研究的一个重要和热点领域。蛇形机器人可以作为可重构模块化机器人的一个基本体。如果在模块上设计合适的连接和断开机构，蛇形机器人就可以变形成各种形式或组成新的机器人，还可以分开成几条蛇形机器人，完成协同作业。也可以随时甩掉自身的一个或几个模块，甩掉无法工作的模块有利于机器人的运动。如果在每个模块上安装特定的传感器，蛇形机器人可以通过在指定位置甩掉模块的办法来布置传感器[1]。

6)蛇形机器人具有超多的自由度，当机器人的某个或某几个单元不能正常工作时，它仍然能够完成指定任务。因此蛇形机器人具有高度的可靠性和安全性。

7)蛇形机器人在完成运动时，所有关节都不需要外露。如果在机器人的外面加上防水或防腐材料使机器人密封，它能够进入有各种泄漏的危险场台作业。也可以像蛇一样在液体环境中游泳，成为水陆两栖机器人，大大扩展了该类机器人的应用范围。

8)通常情况下，在运动过程中蛇形机器人的细长而柔软的身体始终接触地面而保持最低的身体重心，使其具有高度的稳定性。而在传统的移动机器人中稳定性是个十分重要而棘手的问题。特别是在腿式移动机器人和轮式移动机器人上，稳定性成为机器人运动控制的核心问题。而在蛇形机器人上，通常不必过分关注蛇形机器人的稳定

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变为00与此同时P2P3与x轴的夹角β从00变为a0（见图2-4中d）；当这一阶段结束时，系统处于状态e；P1P2、P2P3与X轴之间成等腰三角形，除了点P2外，其他点均位于X轴上。重复这个过程，直到蛇形机器人到达状态f，最后恢复到直线状态g。

在一个运动周期内，整个系统沿X轴的位移StepL相当于点P0从状态a到状态b的位移。设每一节长为l，有

StepL=2l(1- cosα0) （2-1）

2.2.2 由三连杆组成的蠕动步态波形传递模型

从图2-4中可知，在波形传递阶段[12]，动点为Pi和Pi+1（1≤i≤N-1），其他点静止不动，比如运动波形从状态c到状态e只有点P1和P2在动。 因此可以将Pi-1Pi、PiPi+1、Pi+1Pi+2和Pi-1Pi+2简化成如图2-5所示的四连杆机构。在波形转换过程中Pi—1和Pi+2之间的距离d不变，即d =l+ 2lcosαo。图中θi、表示组成运动波形的连杆与水平地面的夹角，φi表示相邻连杆间的夹角，顺时针为负，逆时针为正。

图2-5 四连杆运动模型

根据图2-5所示的四边形Pi-1PiPi+1Pi+2，我们可得如下矢量关系

leiθ1 + leiθ2 = d + leiθ4 (2-2)

将其在x,y轴上分解得

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(2-3)

消去θ2后得：E cosθ2+F sinθ2+G=0 (2-4) 将下cos半角变换公式代入式(2-4)，得关于tg(θ2/2)的一元二次方程式，由此解出

(2-5)

式中N为符号系数，当△Pi+1 Pi-1Pi三顶点的顺序为逆时针方向，N=-1；顺时针方向N=1；这是按右手直角坐标系制定的，如为左手直角坐标系，则判别N符号的规则与上述相反。将公式(2-5)代入(2-3)可求出

(2-6)

式中

F=2l2sinθ1=2l2sinφ1

G=l2+d2-2ldcosθ1=l2+d2-2ldcosφ1

2.2.3 波形传递阶段相邻连杆间相对角位移

1各连杆间的角位移分析

ΦI及其角速度分析

假如已知连杆Pi+1Pi+2的转角φ1与其角速度转角可用φ1来表示。由图2-5可得

φ1=θ1 φ2=θ2-θ1

，那么运动波形上各连杆间的相对

φ3=-(π-θ4+θ2) (2-7) φ4=π-θ4

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图2-6 φ2，φ3，φ4和φ1之间的关系图

[1]

图2-7

和

之间的比例关系图

[1]

图2-6 给出了当α0=600时，波形传递过程中，相邻连杆间的角位移φ2、φ3、φ4和φ1之间的关系（图中

）；左侧是角位移φ1从00增加到最大值时，运动

波形上其他连杆的角位移变化曲线，可见连杆PiPi+1与Pi+1Pi+2间的相对角φ2变化幅度最大。右侧是角位移φ1从最大值恢复到00的过程中，其他连杆间的相对转角的变化曲线，在恢复过程各个连杆间的角度变化比较平稳。

2角速度分析

[1]

将式(2-2)对时间取导数，化简得

(2-8)

将式3-8）中各项乘以e-iθ2，然后取其实部，消去

，得

(2-9)

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同理可得：

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(2-10)

结合(2-7)式，可求出运动波形上各连杆间的夹角的角速度间的关系

=

r1=////

=1

=-1+sin(θ1-θ2)/sin(θ4-sinθ2)

=(sin(θ1-θ2)-sin(θ1-θ4)/sin(θ4-θ2) (2-11) =-sin(θ1-θ2)/sin(θ4-θ2)

=- r2==-=-

r3= r4=

图2-7给出φ2、φ3、φ4和φ5之间的角速度比例关系。从图中可以看出，运动波形由三连杆组成的蠕动步态，在波形传递过程中，尤其是φ1处于[700，750] (αn=600)区间内，相对角φ1的角速度相差很大[12]。 2.2.4 小结

虽然用运动波形由三连杆组成的蠕动步态有解析解，但从其波形转换分析图(2-6)和(2-7)可以看出，此运动步态存在如下的问题：1．关节角的活动范围比较大（当初始角α0=600时，φ2∈[-1200,600]）。2．关节之间的速度比较大（当α0=600，φ1在[700，750]之间，速比发生突变）；因蛇形机器人的各个模块都是相同的，因此各个关节的调速范围也是一样的；速比越大，调速范围越大，因此对驱动电机的要求也就越高。3．关节之间的速度比太大，容易使组成运动波形的部分关节速度变化过快，容易产生过大的惯性力，从而造成电机失步，不利于电机的控制.

因此从控制的角度和设计的角度来说，这种运动波形由三连杆组成的蠕动步态并不是最理想步态。

2.3 机构简图

其中直线代表蛇形机器人的一个关节，圆圈代表电机。奇数号电机实现蜿蜒运动，偶数号电机实现起伏蠕动。在起伏运动时，奇数电机保持不动，即电机1，

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2所在杆件构成一个整体，电机3，4所在杆件构成一整体……

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3 蛇形机器人步行机构的结构设计

3．1 蛇形机器人运动部件设计

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根据自然界蛇的体形，结合本课题要求实现的功能，兼顾美观，合理，设计蛇形机器人的关节外形如下图3-1所示每个蛇形机器人的组成单元由两个小关节组成，其中轴线水平的转动副成称为水平关节，可实现匍匐运动；轴线在铅锤方向的转动副称为垂直关节，可实现拐弯运动。

图3-1蛇形机器人关节的三维示意图

为了进一步细化外型尺寸计算过程，我们将步态进一步细化。我们将蜿蜒电机忽略如图3-2。

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图3-2 细化的步态规划

我们根据各个关节在相邻两状态间角度的变化，整理制作了如下表格3-1，并规定∠Pi-1PiPi+1以lPi-1Pi为参考，正时针方向变化为正，逆时针方向变化为负。得到表格如下

表3-1 每周期各相邻步态间各关节所称角度的变化

步态号 角度变化 步态1 步态2 步态3 步态4 步态5 步态6 步态7 步态8 △α0 △α1 △α2 △α3 △α4 △α5 -600 +120 -600 00 00 00 -160 -160 +600 -290 00 00 +760 -1640 +1200 -310 00 00 00 -160 -160 +600 -290 00 00 +760 -1640 +1200 -310 00 00 00 -160 -160 +600 -290 00 00 +760 -1640 +1200 -310 00 00 00 +600 -1200 +600 由于在蛇头与地面，蛇尾与地面间没有直流伺服电机，所以△α0△α5不予考虑。又由于每一个步态可以在同一时间内完成，每一步态所用时间由完成角度变化时间最长的电机决定所以除去△α0△α5后对每一步态取角度变化绝对值最大值，取和，所得值与时间成正比。

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初步选择采用直流伺服电机F130，转速为n=300r/min

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（3-1）

(3-2)

所以每个周期最短时间为T，则

(3-3)

因此，蛇形机器人的蠕动频率为

(3-4)

可见蛇形机器人在单位时间内行走的距离为S

(3-5)

计算可得

(3-6)

由于蛇形机器人的每个单元由两个关节组成，那么每个关节的长度为7.6cm。下面具体计算关节的外型尺寸。为了计算方便，我们将蛇形机器人每个单元的每个关节作如下简化，简化结果如图3-3所示

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图3-3 蛇形机器人每个部分关节简图及极限位置夹角

取每个关节的外伸端长20mm，取极限夹角为900，则蛇身最宽处宽40mm。具体关节外观如图3-4所示

图3-4蛇形机器人关节图

关节采用铝材，后部三角形孔用于传递水平关节上电机输出的扭矩，运用形锁合的方法与传递扭矩轴套配合（图3-5），通过内外形的配合来传递动力。轴套内部与方形截面轴（图3-6）配合，外部与关节壳体孔配合，将轴传递的扭矩传递到关节壳体，使关节与关节间产生相对运动。运动件与固定件之间用定位轴套定位，定位轴套（图3-7）内部与方形截面轴配合，外部与关节壳体的圆孔配合，形成滑动轴承。此设计的特点是结构紧凑，体积小巧，传递可靠。关节壳体内部设计电机安装腔，同样采用与电机外型相配合的内孔与电机外壳配合来定位电机在蛇形机器人内部的相对位置。电机固定采用固定扣带，结构如图3-8所示

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图3-5 动力传递轴套

[8]

图3-6 方形截面轴

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图3-7 定位轴套

图3-8 电机固定扣带结构图

电机固定扣带采用塑胶材质，与蛇形机器人的电机盒采用形变预紧，将电机可靠地定位在电机盒内。扣带具有拆装方便，定位可靠的，结构简单等特点。

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由于在设计第二个关节时，存在重力作用点不通过形心的情况，如图3-9。

图3-9 蛇形机器人组成单元存在偏心情况

为了使整个蛇形机器人整体不存在偏心问题，提高蛇形机器人的运动稳定性，将具有偏心问题的关节在组装时注意偏心位置，交替组装，尽量消除蛇形机器人整体的偏心情况（图3-10）。

图3-10 调整后的装配图

3．2 驱动装置设计

3.2.1 驱动方式选择

随着MEMS技术的迅速发展，能够进入狭窄空间工作的微型机器人已经成为国内外的研究热点。微型机器人具有体积小，相应速度快，能耗低等特点，在生物医学，航空航天，军事，工业生产，水下作业，极端危险场合具有广泛应用前景。驱动方式大致可分为有缆驱动和无缆驱动。

1 有缆驱动

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有缆驱动技术的优点是能量供应方便而充足，但对于应用在细小管道和狭小空间等特殊环境下的微型机器人，如果采用有线方式功能，会使得微型机器人的运动灵活性，移动距离和行走路线受到限制。

1）微伺服电机驱动

新西兰的坎特伯雷大学以竹节虫为生物模拟对象，研制成功了一种微型伺服电机驱动的Hamlet仿昆虫六足步行机器人。该六足机器人共有6条三关节的步行足，单个关节由一台功率为10W的电机驱动，通过齿轮箱减速输出4N．m的扭矩。微电机驱动可满足微型机器人自主性要求，承载力大，可靠性，适应性强，但由于系统复杂，不利于机器人进一步微型化。

2）压电陶瓷驱动

日本Fukuda等人利用压电陶瓷（PZT）作驱动器研制了一种具有2自由度的双鳍微机器人。该机器人具有两条腿，每条腿上带有双鳍，双鳍之间具有一定的角度；在不同的驱动频率下，每条腿能产生向前或向后的运动；当调节驱动频率驱动两条腿的运动方向相反并产生不同的推力时，可实现微机器人的转弯。

3）高分子材料驱动

日本的Kagawa大学的郭书祥等人研制出一种利用电致动作原理的ICPF高分子聚合物材料作为驱动器的水下多自由度微型机器人。该机器人由ICPF高分子聚合物材料组成三条步行足和两条尾鳍，在ICPF驱动下，当三条步行足协条摆动使机器人在水下自由移动，两条尾鳍的摆动下使机器人移动更迅速，利用ICPF产生气泡的特性使机器人遇到障碍时可以迅速上浮，从而达到避障的目的。ICPF驱动具有柔韧性好，驱动电压低，相应快，可以在水下作业等优点。

韩国利用一种新型智能材料人工肌肉（IPMC）研制了一个简单的八足爬行机器人。机器人的八条腿是由IPMC执行机构构成的。IPMC具有在较低的电压下能产生大变形，低密度，有弹性而且可以任意切割的优点，但其产生的驱动力较低。

4）气压驱动

意大利的Mitech实验室P.Dario等研制了一种采用压缩空气驱动的微型机器人。它是仿照蚯蚓滑行蠕动的原理，通过两个夹钳和一个伸缩执行器在气压分配器的控制下实现在肠道中的蠕动。夹钳在驱动体的两端，充气时会鼓起起到加持作用。伸缩执行器在充气时伸长，产生推力驱使机器人滑行。气压驱动方式控制可靠，适应性强，柔性好，不易损伤操作对象。

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2 无缆驱动 1）太阳能驱动

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加州大学伯克利分校Richard Yeh 等研制了一种由太阳能功能的微型蚂蚁。它集成了微传感器，执行器，低功率微型CMOS控制电路，太阳能电池，用关节刚性连接的两自由度腿由静电微马达驱动。静电微马达由CMOS电路控制和太阳能电池提供能量。太阳能电池的功率密度约为10Mw/cm2,可以满足静电驱动马达驱动的需要。

2）外磁场驱动

日本九州工业大学Honda等人研制了外磁场驱动的管内泳动微机器人。它由钕铁硼（NdFeB）磁柱体和黏在磁柱上的聚酞亚胺薄膜构成。当外加激励磁场（磁场方向沿管轴方向）时，小磁柱就会在垂直磁场方向上下摆动，且带动弹性薄板振动，从而使得微机器人沿着轴向方向泳动。

大连理工大学张永顺等人研制了超磁致伸缩薄膜驱动仿生游动微机器人。随着外部磁场的变化，超磁致伸缩器的薄膜不断变形而使薄膜产生弯曲，从而使薄膜不停的摆动，能够在液体中像鱼类一样推动微型机器人的运动。

3）热驱动

韩国Young Pyo Lee等人根据蚯蚓爬行原理，研制了由对热敏感的形态记忆合金（SMA）驱动的微型机器人。它前后部各有一个微小的针，集成的控制器和电池，中部是由硅树脂风箱，SMA弹簧组成的双向线性执行器。在起始状态，前面的针卡住接触面，当SMA弹簧受热缩短时，后部向前滑行：当SMA弹簧冷却后，硅树脂风箱使得SMA弹簧延长；同时后面的针卡住接触面，前部向前滑行。SMA驱动具有结构简单，控制精确，功重比大等优点，但SMA的冷却速度制约了微型机器人的运动速度。

3.2.2 电机选择

从上面的材料和讨论可以看出，各种微型驱动器都有自己的优点和缺点，结合本课题的实际情况，采用的是微型直流电机F130。电动机参数如下表3-1

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表3-2 电机型号及参数

电机型号 F130 最大连续转矩 32mNm 额定电压 3V 外型尺寸 φ20.1×25×15.1 额定功率 3W 重量 17g 第 25 页 共 41 页

空转转速 300r/min 电机外形如图3-11。

图 3-11 电机外形图

3.2.3 传动装置设计

蛇形机器人的驱动装置为一对齿轮和轴，加上形锁传动装置。由于蛇形机器人的总体尺寸较小选取模数

,取

。在蛇形机器人中，采用一对齿数相同的齿轮传

动，由于电机的主轴与传动轴不在同一轴线上，因此考虑采用锥齿轮。根据选取的模数，齿数，可以得到锥齿轮分度圆直径

(3-7)

取齿顶高系数

，顶隙系数

,可根据式（3-8）得到齿顶高

(3-8)

齿根高

(3-9)

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4．3 控制程序编写

4.3.1 上位单片机的控制程序

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主控单片机连接人机界面HMI和下位单片机[1]。在运动开始之前，主控单片机通过无线通讯模块从人机界面HMI中得到运动开始信号以及所要进行的运动方式代码，并将这个信号（包括运动模式代码）转达给各个下位机，接着等待各个执行单元初始位置调整完毕后下位机所发回的调整完毕信号。在接到调整完毕信号后，主控单片机通过串口向下位机发出运动开始指令。在运动过程中，为避免由于各下位机电路中晶振误差所带来的时钟信号不一致，主控单片机每隔一个特定的时间段后，向下位机发送同步时钟信号，使得各下位机同步运行。同时检测是否有下位机发送的意外中断信号或者是人机界面HMI发出的运动停止信号，直至运动停止。 4.3.2 下位单片机的控制程序

(1)主程序

下位单片机通过驱动板来控制关节电机的转动，并按照设定的采样频率读取电位器的数据，通过A/D转换送到上位机和人机界面HMI，同时又构成一个反馈系统，把设定值和采样值进行比较，通过下位机的PWM端口输出来调整电机速度或者转向。

根据前面步态分析中所得到的转角和角速度的表单，在编写单片机控制程序时，把两个数表写入单片机。其中的角速度表用力控制PWM的各个时刻的占空比设定值。

开始后，单片机初始化，检查来自上位机和人机界面HMI的运动指令，判断运动模式，调用运动模式的子程序，读取角位移表，读取角速度表，通过角位移表的值A/D转换后与设定值比较，调用PWM子程序，控制PWM在该时刻的设定值，调整PWM的输出。上位机和人机界面发出停止指令后，运动结束。

(2)子程序

a调整初始位置子程序：

蛇形机器人开始运动时，确定了运动模式后，电位器检测到的值与该运动模式需要的设定值比较，如果大于对于单片机表单中的值(存放在存储器中），则反向运动，否则，则正向运动，直到调整结束，向主机发出调整结束信号。

b.其它的子程序如A/D子程序、比较子程序和PWM子程序都是比较简单的常用程序，实际编程时只要设定寄存器就可以了。

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4．4 小结

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本章节首先阐述了蛇形机器人控制问题的实质，通过多种方案的比较，选择了PC机—无线传输—UART串口—上位机—下位机—驱动电机的三层控制模式。整个控制系统的设计体现了分散控制和集中管理的分散控制思想。在实施上述控制过程中对无线传输模块和单片机模块进行了设计，对单片机程序控制的编写进行了说明。

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结 论

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本文对蛇形机器人的发展历史作了介绍，并且对蛇形机器人的优缺点做了简要的分析，得出了适应蛇形机器人的应用的领域，和蛇形机器人的发展前景。结合本论文的要求，对蛇形机器人进行了动力学分析，将蛇形机器人简化为一系列有序杆件，将蛇形机器人的匍匐前进划分为一系列有序杆件的有序周期运动。并对这周期运动进行了研究。将运动归结为四连杆机构的问题，运用所学机械设计知识对四连杆机构进行了分析计算，得出了蛇形机器人运动的最佳起始角度。然后对蛇形机器人进行结构设计。在综合考虑蛇形机器人整体尺寸，传递扭矩较小装配简单的情况下，决定放弃传统的定位，扭矩传递的方法，采用形面锁合的方法来传递扭矩，在达到预期的运动效果的前提下，能够使蛇形机器人具有更简单的结构，更轻的总重量。在控制方面，提出了基于无线传输的三层控制系统。利用无线传输模块，可以使蛇形机器人在脱离信号导线的前提下进入更复杂的空间内，更符合蛇形机器人的使用环境要求。

同样，本文也存在不足，如在设计蛇形机器人的外壳时没有考虑制造的方便，将电机安装合与壳体设计成一体，可将其进一步改进，将电机安装合和壳体划分为两个独立的构件，降低制造的难度，使整个蛇形机器人具有更好的制造工艺性能。在选择电机时使用了直流电机，在计算时采用了它的理论转速，这在实际情况下是不会出现的，可以采用控制更精确的步进电机控制，使蛇形机器人具有更精准的控制。

由于本人的水平有限，时间仓促，文中有疏漏不妥之处在所难免，敬请各位导师给予批评指正。

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致 谢

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本论文是在指导老师祖莉博士的亲切关怀和悉心指导下完成的。首先，在专业知识方面，指导老师严谨的治学态度和高深的学术造诣使我终身受益；其次，在大学四年的学习生活中，指导老师在做人方面身体力行的模范带头作用；朴实，善良，正直，忠诚会是我一生享用不尽的财富。所以在论文完成之际，谨向我的指导老师祖莉博士致以衷心的感谢和崇高的敬意！

同时也要感谢赵建平老师对我的指导和帮助，使我能够顺利的完成该论文。 感谢所有关心和帮助过我的老师和同学，特别感谢我的父母多年来在学业上的全力支持和生活上的关心照顾！

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参 考 文 献

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[2] 王华坤，范元勋.机械设计基础（Ⅰ）.北京：兵器工业出版社，2001.6 [3] 王华坤，范元勋.机械设计基础（Ⅱ）.北京：兵器工业出版社，2001.6 [4] 徐灏.机械设计手册（第三册）.北京：机械工业出版社，1991 [5] 徐灏.机械设计手册（第四册）.北京：机械工业出版社，1991 [6] 沈鸿.机械工程手册（第14卷）.北京：机械工业出版社，1982.5 [7] 左建勇,颜国正.基于蚯蚓原理的多节蠕动机器人[J].机器人.2004,26(4):320-324

[8] 詹友刚.Pro/ENGINEER Wildfire 3.0高级教程.北京：机械工业出版社.2007.4 [9] 肖曙. 仿尺蠖微小型机器人嵌入式控制器的研究[D]. 哈尔滨工业大学. 2006 [10] 王铭珍. 日本开发蛇形救灾机器人[J]. 消防技术与产品信息, 2005,(10) [11] 蛇形机器人[J]. 中国制造业信息化, 2005,(11)

[12] 黄恒, 颜国正, 丁国清, 高志军. 一类蛇形机器人系统的运动学分析[J]. 高技术通讯, 2002,(05)

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[14] 李博文. 封面照片说明[J]. 现代物理知识, 2003,(02)

[15] 朱圣领, 郭旭红, 芮延年, 刘开强. 一种新型蛇形机器人的设计研究[J]. 机械与电子, 2004,(07)

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