蛇形模块化机器人产品及技术介绍

SolidSnake-II

——模块化机器蛇概述一、应用背景：

近几年来，仿生机器人学正在机器人领域占有越来越重要的位置，蛇形机器人由于其结构的特殊性,已成为仿生领域的研究热点。蛇形机器人在战场上的扫雷，爆破，矿井和废墟中探测营救，管道维修以及外行星地表探测等条件恶劣，且要求有高可靠性的领域有着广阔的应用前景。模块化设计和高冗余度设计等新思路的提出和逐步完善，使蛇形机器人成为研究的亮点。

二、SolidSnake II 实验样机概述：

SolidSnake II 结合了国内外蛇形机器人的发展现状，充分考虑了蛇类生物的运动特点，从仿生学的角度，结合机器人动力学和摩擦学等的相关理论，建立了基于行为控制理论的蛇类运动学模型，把蛇类生物的复杂运动形式化解为局部的、简单的行波状态，并以固定的相位差沿蛇体进行传播。采用中央处理机（即蛇的大脑）集中控制的方式把各种运动方式进行合成，实现了机器蛇的蠕动、游动、侧移、侧滚、抬头、翻越障碍物等运动形式。在对蛇类运动机理深入研究的基础上，得出了利用杆状结构的角度变化和运动时延，相位差去控制机器蛇运动的速率和运动方向的规律，并在实验中得到了验证。

三、solid snake – II 创新点详述

一）、模块化的机构设计：

采用模块化的机构设计，可以很快的

组装一条新蛇，而且结合电路系统，可以

实现任意节数的组合，以适应不同的应用

场合。单元体模块组成部件有：两节壳体，

两个伺服电机，一块从机控制板。

机械对接接口非常简单，只需要五个螺钉

即可对接一个单元体。

一个模块化单元体为一个正交

的关节，有两个正交方向的自由度，

在机械结构与控制结构上均自成一

体，通过总线与其他从机及主机通

讯。

标准配置的SolidSnake-II 带有

外接电池。但用户可以自行加装电池

到每个单元关节，以便无缆运行。

二）、基于行为控制设计的solid snake – II 电路系统及程序构架：1），电路系统构架：在电路设计上采用分布式底层运动控制——高层中枢决

策”的控制逻辑，通过i2c 总线通讯。上位机为PC 机控制，通过对总线的定时轮询来实现随时插拔关节。此设计能方便地实现替换任意关节，能根据不同任务随时拆卸\安装新的关节，甚至实现带电插拔，极大的增强了蛇形机器人的可靠性和耐用性。

PC 机可以控制主机，从而实现对solid snake- II 的高层控制；也可直接控制solid snake- II 实验样机，实时的改变任意单元体的状态，实现底层控制。每块从机上都有两路AD 采集，可以实时的采集关节的绝对角度值（需要用户自行改装电机），以修正来自主机的角度数据，实现有限度的基于行为的运动控制。我们决定将来加装合适的传感器，以感知周围环境，实现各大限度的局部自主，从而实现基于行为的运动控制。

2），配套的程序构架：

三），运动设计与实现：

1. 蛇形机器人运动的动力学基础：

蛇类生物的运动方式主要是通过蛇体扭矩的变化以及蛇体与地面的摩擦来共同提供动力。在运动形式上为行波的传播；表现形式上主要有蠕动和游动两种基本方式以及由这两种方式相结合产生的各种复杂的运动方式。蠕动主要由垂直

方向的扭矩产生角度变化，由于相邻结构体的约束力和地面的摩擦反作用力的共同作用而产生的一种运动形式。经过力的合成作用产生的水平方向的力可以驱动蛇体向前移动。

通过对蛇行机器人的动力学分析建模，我们建立机器蛇的相邻关节的运动受力关系模型如下：

切向力的函数：

法向力的函数：

法向力：

功率函数：

其中T（s）为相邻关节的扭矩，s 为沿运动方向前进的长度。

2. 相位差对蛇体运动方式的影响：

在实际的运动中，蛇类生物的运动方式有一定的固有模式，可以近似为三角波或正弦波在蛇体中的传播。从仿生学的角度看，为了使蛇形机器人的运动满足蛇类运动的特点，就必须保证波形的顺利传播。在对蛇形机器人的动力学分析的基础上，我们采用相互正交的连杆结构来设计蛇体，由于每一节可以有两个自由

度，因此，我们可以实现蛇体的空间运动。同时，相互正交的结构也是模块化设计的要求。

基于从控制机理上尽量模范生物蛇的原则，我们采用基于行为主义控制理论的蛇类运动学模型，其基本原理是：蛇的运动由一系列同时发生的简单动作或“能力”组成，通过自组织实现系统的复杂行为。观察大量的蛇类生物运动录像可以发现，蛇的几乎任何复杂运动都是一个局部的、简单的状态以固定的相位差沿蛇体传播的过程。如果把蛇体抽象为一杆数为N 的杆系，蛇类运动可归纳为如下简单运动学模型（设运动从t=0 时刻开始）：

K(N,t) = K(N-1,t-Δ(t)) + C1*Σ(C2*t*ω(t-1)) + C3*L(t-1) （1）

当前状态上一个相位状态外界信号修正值前次动作修正值

其中:

1．）(N,t)为t 时刻第N 节的状态;(这里的状态包括相对位置、角度关系)

2．）K 为权值，代表当前状态与以前运动结果的关联度，C1*Σ(C2*t*ω(t-1))综合描述了外界信号对蛇体动作的影响；

3．）ω(t-1)为上一时刻蛇体接受到的外界信号的函数，此参数描述了蛇体的外界信号接口，并且补偿由于时间流逝造成的外界影响越来越大，以至于当前控制命令被忽略的问题（这个问题在试验的初期出现过，由于时间流逝造成C1*Σ(C2*t*ω(t-1))项越来越大，以至于主要控制指令项K(N-1,t-Δ

(t))可忽略）；

4．）C2*t 为权值与时间衰减系数之积，描述了时间流逝对蛇的记忆产生的影响，两个分立动作之间时间间隔越长，前者对后者的影响也就越小，C2 通过试验确定；

5．）C3 为权值，通过试验确定一组值，再在符合给定条件的时候赋给相应的控制变量；L(t-1)项描述了蛇体上一时刻的状态对当前状态的影响。此参数非常重要，因为某些动作能否完成取决于上一时刻蛇体的状态，比如上一时刻蛇体处于翻倒的状态，则当前时刻“眼镜蛇式侧移”是无法完成的，这样就要求翻倒后L(t-1)能趋于某个极限，这样则K(N,t)->K(N,t-1)，即蛇体不会动；不动的状态持续一定时间，当外界信号修正值C1*Σ(C2*t*ω(t-1))达到给定阈值且相应标志值为真时，L(t-1)恢复原值，蛇体自动执行翻身动作；

SolidSnake II 利用各关节处的舵机来控制各杆件的相对运动，以构成要求的姿态和运动过程。我们的蛇形机器人具有多种不同的运动方式，包括：蠕动前进/后退，游动前进/后退，翻越障碍，横滚，横向游动，测滚等。还有其他的辅助运动，包括抬起头部关节，翻倒后自动翻身等等。同时，依靠蛇体中位的调节，我们可以实现蛇体在游动中的转向。

根据以上公式以及我们设计的运动要求，SolidSnake II 具有包括蠕动一个关节、扭曲相邻关节、固定一个关节在某个相位、放松一个关节等基本动作能力(即K(N,t))，通过（1）的简化模型

K(N,t)=K(N-1,t-dt) （2）

我们可以得到一个完整、平滑、比较自然的单个波峰，蠕动波形前进的运动，如图2 所示。