蛇形机器人的机构设计及运动分析

蛇形机器人的机构设计及运动分析
张玲玲;曲泽超
【摘要】Snake-like robot can adapt all sorts of complex circumstances with its unique body structure and movement forms.In order to verify the ability of motion for snake-like robot,a snake-like robot was designed,which was able to execute cycle locomotion. The design of the robot's arthrosis mechanism and the movement principle were discussed. The motion tread feature of three-reciprocating rod model was analyzed by establishing mathematic model of robot motion in detail, combined with the motion periodicity of snake-like robot.The results indicate that three-reciprocating rod motion tread improves the ability of motion for snake-like robot.%蛇形机器人以其独特的身体结构和运动形式能够适应各种复杂环境.为了验证蛇形机器人的运动能力,设计了一种前进中可做周期性运动的蛇形机器人,重点讨论了其关节机构的设计和运动原理；通过建立蛇形机器人运动的数学模型,并结合其运动的周期性,详细分析了三连杆模型的运动步态特性.研究结果表明,三连杆运动步态提高了蛇形机器人的运动能力.
【期刊名称】《机电工程》
【年(卷),期】2012(029)005
【总页数】4页(P512-515)
【关键词】蛇形机器人;周期性运动;关节设计;三连杆;运动步态
【作者】张玲玲;曲泽超
【作者单位】中国船舶重工集团公司第七一三研究所,河南郑州450015;中国船舶
重工集团公司第七一三研究所,河南郑州450015
【正文语种】中文
【中图分类】TH122;TH112;TP242
0 引言
随着科学技术的发展和人们生活水平的提高，有关机器人领域的研究也越来越受到科学家和社会各界的关注，并且目前已取得了很大的成绩。

蛇形机器人是一种新型的仿生物机器人，它实现了像蛇一样的“无肢运动”，是机器人运动方式的一个重大突破。

蛇形机器人在许多领域有着广泛的应用前景，如在有辐射、有剧毒、地震、狭小管道等不适宜人类工作的场合，这些优势已经在部分生产应用中得到了充分的证实。

对于蛇形机器人的研究，日本、美国等国家研究的相对比较多[1-4]。

国内
主要是国防科技大学、中科院沈阳自动化研究所等科研单位在这方面有一定的研究。

在取得了较大成效的同时，也存在着环境适应性差、运动控制不稳定等问题，对灾害搜救工作不能实时、准确的做出响应。

为了改进这类问题，笔者设计了本研究所述的蛇形机器人。

该蛇形机器人可以在复杂环境中起伏前进，并能够实现侧移、翻转、平面蜿蜒等多种运动形式。

通过对蛇形机器人模型的运动分析，笔者研究出了一种蛇形机器人的运动方式，并在其实体上得到了有效的验证。

1 蛇形机器人的机构设计
仿照生物蛇的运动特点和运动机理，蛇形机器人的机械结构由多个相同的模块串联构成，每个模块都具有独立的驱动和控制系统，可以产生在有限范围内的相对运动。

通过控制各个模块的运动，并相互协调，蛇形机器人就可以实现多种运动形式。

1.1 机械结构的模块化设计
为了能够逼真地模仿蛇的运动形式，同时为了方便设计以及降低成本，本研究运用了模块化的设计理念[5]，设计了在结构上类似于蛇的微小关节的模块，各模块在
结构上相同，并且具有几乎相同的电路和控制程序，蛇形机器人结构如图1所示。

这些微小模块组成整条机器蛇，来完成所设计的多种运动模式。

这样即使是某一关节在运动过程中损坏，可以丢弃损坏的关节，并由剩余的关节来完成动作。

除此之外，模块化设计中相同的模块系统的设计、制造和装配过程是统一的，大大减少了制造成本和加工的复杂程度。

图1 蛇形机器人结构
本研究设计的是一种两自由度模块，如图2所示，每个自由度都具有单独的驱动
和控制系统，该两自由度模块是蛇形机器人的最小结构单元，每个模块均有两个永磁直流行星齿轮电机，一个电机控制一个自由度，具有单独的控制程序。

当进行空间运动时，每个单元模块都是具有两个自由度组合的关节。

关节的旋转运动采用锥齿轮的传动来实现，所以该模块具有结构简单、运动灵活、易于控制、鲁棒性强等特点。

它主要由6部分组成：电机固定板、控制单元、模块壳体、连接内环、大、小锥齿轮等。

大锥齿轮与连接内环固结，电机固定在电机固定板上，电机固定板与模块壳体固定连接，因此电机的输出力矩通过小锥齿轮直接传递给大锥齿轮，来实现蛇形机器人的万向运动。

控制单元主要由电机和电路控制板组成，每个电路控制板控制两台电机，但电机之间的控制程序是相对独立的。

在这些结构中电机固定板、大、小锥齿轮需要硬度大、不易变形的材质，选择合金钢材料；模块外壳、连接环对硬度要求相对较低，本研究选择铝合金材料。

单元模块的结构参数如表1所示。

图2 蛇形机器人的两自由度模块
1.2 单元模块的连接方式
根据蛇骨架结构的连接特点，以及在自然环境中不同的运动方式，本研究设计的模块单元的连接方式如图3所示，是主动驱动的连接方式，电机固定在电机固定板
上，运行时与模块单元保持相对静止。

连接内环上的大锥齿轮和销轴均与连接内环固接。

每一模块单元内平行放置两个反方向的电机，一个电机控制一个旋转方向的运动，即一个电机控制一个自由度。

通过电机转动产生绕其本体轴线的力矩，通过小锥齿轮转换成单元壳体的扭转力矩，来完成三维动作。

由该单元模块组成的蛇形机器人具有很强的运动能力。

表1 模块参数表关节转角方向模块长度/mm 180模块直径/mm 80总长/mm 1010总重量/kg 1.98最大转角范围/（°）－60～＋60水平或垂直
图3 单元模块之间的啮合连接
1.3 电机的选择
本研究所选择的电机是北京欧特利机电设备有限公司的24JX10K/2430永磁直流
行星齿轮电机，包含有直径24 mm的加强型行星齿轮减速器，允许负载10 kg·cm，特别适合于要求直径小、出力大的仪器以及设备。

应蛇形机器人小型化的要求，本研究对齿轮传动装置提出了高效率和小型化的要求，由于行星齿轮传动装置采用数个齿轮同时传递载荷，使功率分流并合理使用了内啮合，因此具有一系列的特点，如结构紧凑、体积小、重量轻、传动比范围大、传动效率高、输入输出轴同心等。

本研究选用PWM信号控制电机的原则有以下两方面：①24JX10K/2430永磁直流电机体积小、重量轻、转速低，这样蛇形机器人
的每个模块就可以做的比较小，便于机器人整体的小型化，使之可以在很狭窄的环境下自由运行；②PWM信号控制简单、信号平稳，只需要给出脉宽信号就能让电机运行到目的地位置，使蛇形机器人的稳定性和抗干扰性得到提高，便于在恶劣的环境下保持稳定的运动状态。

2 蛇形机器人的运动步态分析
蛇形机器人的运动过程归根结底就是运动连杆依次传递的过程，传递过程中连杆运动形态的不同组合构成了不同的运动曲线。

本研究主要是以由运动连杆组成的运动
波形为研究对象进行研究的，以下讨论了蛇形机器人三连杆组合的运动步态和多连杆组合的运动步态[6-12]。

2.1 由三连杆组成的运动步态描述
由于加工制作的机器人样机由6段组成，本研究把机器人简化为6段固定长度的
连杆系统。

假设蛇形机器人的初始状态为一条直线，相邻连杆转过的最大角度范围是±60°。

由蛇尾向蛇头方向运动，三连杆的运动波形是由蛇尾传递到蛇头的一个
周期的运动过程，运动波的传递过程如图4所示。

图4 由三连杆组成的运动波的传递过程
完整的三连杆波形运动由3个阶段组成：
第1阶段。

三角波形成过程，如图4（a）所示“a、b、c”3个过程。

“a”为初始状态，由 L1～L6 6段组成，相邻两段间的连接方式由具有两自由度且运动是相互独立的关节组成，假设图中奇数关节序号控制水平方向的自由度，偶数关节序号控制竖直方向的自由度。

“b”状态为运动开始阶段，L3、L4、L5、L6保持静止
状态，关节4以恒定的角速度ω0顺时针向上匀速旋转，同时关节2以2ω0的角速度逆时针向下匀速旋转，当运动到“c”状态时，即L2与L3的夹角达到30°的时候，此时L1与L2之间夹角为60°，达到本系统蛇形机器人的最大旋转角度，
第1个完整的三角波形成。

第2阶段。

波形传递阶段，如图4（a）所示“d、e、f”3个阶段。

在“d”阶段，关节6作用，L3顺时针向上匀速旋转。

关节2、4开始与第一阶段反向的运动，
最终运动到L1水平状态，L2、L3形成完整的三角波形状，如“e”所示状态，以此类推，波形逐次向前推进，最后形成“f”阶段所示的状态。

第3阶段。

波形复原阶段，如图4（a）所示“f、g”两个过程。

关节8以角速度ω0顺时针向下匀速旋转，关节10以2ω0角速度逆时针向上匀速旋转，一直到
L4、L5、L6成水平状态，如“g”过程所示，此时完成了三角波由蛇尾传递到蛇
头的一个周期过程。

在一个运动周期内，整个系统前进的距离用L表示，机器人每段的长度为l，则有：
2.2 三连杆波形传递的模型分析
波形初始形成阶段如图5所示，在波形形成的初始阶段，P0、P1、P2为动结点，Pi(i≥3)为静止结点，即波形从状态“a”到状态“c”，P0、P2位于 x轴，则Δ
P0 P1 P2形成等腰三角形，现定义关节顺时针旋转为正，逆时针旋转为负，在此
过程中关节4以角速度ω0正向旋转，旋转最大角度极限为30°，相反关节2以
2ω0的角速度负方向旋转，当达到α=30°时，蛇尾的第1个完整三角波完成。

图5 三连杆波形的初始形成模型
波形传递阶段如图6所示，在波形传递阶段动结点为Pi+1和Pi+2，其余结点为
静止结点，Pi和Pi+3之间的距离D固定，即：D=l+2l cosα。

例如，机器人从
状态“c”运动到状态“e”，只有结点2和结点3运动，结点1和结点4之间的
距离保持不变。

图6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。

图6 三连杆波形的传递过程模型
根据如图6所示四边形的关系，可以得到如下的矢量关系：
则ϕ1、ϕ2、ϕ3、ϕ4之间存在着一定的数学关系，通过控制Pi结点处电机来控
制角度θ1的变化（由30°变化到0°，ϕ4由0°变化到30°），从而控制三角波形
传递的整个过程。

3 试验
为了验证上面所介绍的蛇形机器人运行方式的可行性，本研究利用机器人实体进行
了实验，实验结果如图7所示，展示了一个周期的运动过程。

在实验过程中，一定要保证机器人与地面之间的摩擦系数相对较大，否则会出现滑移现象，导致实验失败。

机器人执行的是一个三维运动，通过各个模块的协调动作，三角波由蛇尾依次传递到了蛇头部分。

运动过程中尽量使电机处于低速旋转的状态，可避免机器人整体发生侧翻现象，提高整个系统的稳定性。

图7 以三连杆波形蠕动前进的蛇形机器人
4 结束语
通过对蛇形机器人样机单元模块和关节的精心设计，使其能够按照三连杆的运动步态运动。

本研究借助软件仿真和机器人实体试验，验证了本研究所述机器人的运动步态方法是可行的。

与此同时该研究也存在着不足，由于各个关节的调速范围比较大，对驱动电机的性能要求较高，其次是本研究尚处于前期阶段，不管是结构方面还是控制方面尚有很大的改进空间。

所以，在以后的工作中还需要对机器人的控制系统和运动步态进行优化设计。

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