机器蛇实验报告

摘要：基于对上述对蛇形机器人的深刻了解和学习，我们开始对机器人进行重点的设计研究实验，在多次的实验中，给我印象最深的，并且付出努力最多的一次实验便是蛇形机器人的机构设计和单元连接实验。

关键字：机器蛇舵机建模机电控制结构设计原理图

第一章前言

1.1 实验目的

时光飞逝，如白驹过隙，转眼本学期的学习生活即将结束，对机器蛇创新实验的了解学习也即将落下帷幕，通过本学期的学习，使我拓宽了知识面，对机器蛇创新试验有了更深层次的了解，不仅培养了创新设计能力，锻炼了我的动手操作能力，更大大的提高了我对机器人创新试验的兴趣，从未知的不懂学起，每当按照老师的指导，课程的安排将机器蛇操作起来，按照指令使其运动自如，都有着说不出的激动和兴奋，格外的有成就感，虽然课程很短暂，但我相信通过这一学期的接触，了解和学习，对我们在以后的专业学习生活中，不仅是种锻炼，更是种启迪。

1.2实验过程及内容

通过老师的讲解，我们首先初识了仿生机器人，仿生机器人就是模仿自然界中生物的外部形状或某些机能的机器人系统，利用各种机、电、液、气等动力元器件和各种传感器来构建机器人基本躯体，通过各种智能算法搭建机器人控制系统，实现机器人在运动机理和行为方式、感知模式和信息处理、控制协调和计算推理、能量代谢和材料结构等多方面，具有高级生命形态特征，从而可以在未知的非结构化环境下精确地、灵活地、可靠地、高效地完成各种复杂任务的机器人系统。而由于蛇形机器人在战场上的扫雷，爆破，矿井和废墟中探测营救，反恐、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军事及民用领域都显示出广阔的应用前景,国内外的许多科研机构都开展了针对机器蛇的研究与开发。

经过了这些基础的了解，我们开始对蛇形机器人进行了重点的学习，关于机器蛇运动研究主要集中在运动姿态的调整控制。研究机器蛇关键是多关节、多自由度的自主控制，以及一定结构下机器人体态变化过程中的有效控制问题。如何设置各个关节变化在一定时序内的有序变化，是实现机器蛇运动的关键。而我们重在了解了解机器蛇的运动机理，基本掌握机器蛇的运动设计思路。

对于它的机械设计步骤，我们先是重点做了有关于蛇形机器人的单关节试验，学习了Mega8芯片最基本的IO控制操作，同时作为最基本的操作可以完成几乎单片机大部分的功能。

我们所学指导书上运用的三维软件是SolidWorks。通过A VR单片机在机器蛇的应用，ATmega128和ATmega8，以及舵机的控制，蛇的头部总控制器，大脑—ATmega128，

蛇关节单元体控制器，脊髓—ATmega8，SolidSnake蛇形机器人的控制系统由PC机、底层控制器及舵机组成。我们通过对机器蛇关节装配，单片机开发-A VR仿真应用，了解到代码的编译、仿真、在线下载，三个相关软件ICCA VR、PonyProg的使用方法，以及硬件电路的设计等方面进行深入的探讨和了解，对于我们将实现我们构想的方面以基本达成。

1.3 任务说明和选题意义

基于对上述对蛇形机器人的深刻了解和学习，我们开始对机器人进行重点的设计研究实验，在多次的实验中，给我印象最深的，并且付出努力最多的一次实验便是蛇形机器人的机构设计和单元连接实验。因为它要综合运用之前所学到的各种知识，将我们对蛇形机器人的构想发挥的淋漓尽致，在本次创新实验中也遇到了很多困难，在老师的悉心教导和指导下，我从刚开始的不懂也不敢动手的情况下，慢慢的了解学习，到最后了解它的仿真机理，进行设计调试和运行软件，虽然经历了很长时间，但到最后能够认知到并且能够进行调控，真正的学习了解到有关它的知识，并将知识进行活学活用，还是很有成就感。

在这次设计试验中，需要我们能够将所学的机械设计知识与具体应用结合起来，掌握一种CAD软件平台的基本应用，并了解具体项目的机构设计流程。在能够将所学的机械设计知识与具体应用结合起来的同时，理解设计和装配的矛盾统一，了解具体项目的机构设计流程。它要求我们能够拟合生物蛇柔软的身体，使机器蛇具备向各个方向运动的能力，根据推荐选用的舵机为动力源，保证至少有一个平面平整，并且着地性良好及安装单元后转动灵活。

1.4 任务设计步骤与方法

它主要利用垂直和水平方向正交的关节来拟合蛇类生物柔软的身体，每两个正交的关节组成一个单元体，每个单元体相当于一个万向节，具有两个方向的自由度，整体形成一个高冗余度的结构体。这样的机构设计使蛇体具有向任何方向弯曲的能力。

机器蛇的每一个关节由壳体，舵机以及从动轮组成。设计时，先用三维设计软件为各个零部件建立三维模型，之后对这些三维模型进行虚拟装配。

装配的时候将壳体和舵机装配形成一个关节，然后将两个关节连接上，最后安装运动轮。在设计时首先画出壳体和舵机，且将二者连接起来，然后连接两个关节，接着设计出从动轮，最后实现两个关节的总装。

第二章实验设计知识概述

2.1 机电控制简介

机电控制就是应用自动控制工程学的研究结果，把机械作为控制对象，研究怎样通过采用一定的控制方法来适应对象特性变化从而达到期望性能指标。

机电系统的一般构成如下图

其基本控制方式分为三种，分别为反馈控制方式，开环控制方式以及复合控制方式。对机电控制系统的基本要求，即对每一类系统被控量变化全过程提出的共同基本要求，可以归结为稳定性、快速性和准确性，即稳、准、快。

2.2 SolidWorks建模

三维设计软件是SolidWorks。由于SolidWorks采用了大家所熟悉的Microsoft® Windows® 图形用户界面，具有入门容易、操作简单、设计效率高等优点。

2.3 控制系统架构

控制系统是机器人最重要的部分之一，也是最体现机器人智能程度的部分。SolidSnake蛇形机器人的控制系统如图2.11所示，由PC机、底层控制器及舵机组成。由于体积等原因，底层控制器通常由单片机等嵌入式处理器来构建，它的体积小、可靠性高，但用户界面不够友好，处理功能也不够强大，所以通常只用于最底层的控制。用户界面及大运算量的运算处理则由上位机来完成，上位机通常由具有友好用户界面和强大处理能力的PC机或工控机来实现。机器蛇机器人便是采用的这种上下位机两层控制结构。

其中，PC机为上位机，下位机为机器蛇本体，包括主控板和从机板。主机处理器采用ATmega128处理器；从机采用ATmega8处理器，每个从机模块控制两个正交方向的舵机工作。

2.4 舵机的介绍

舵机主要由以下几个部分组成，舵盘、减速齿轮组、位置反馈、电位计（5k）、直流电机、控制电路板等。舵机的原理跟伺服电机很相似，控制电路板根据控制信号解释出目标位置信息，再根据电位器输出的电压值解释出电机当前的位置，如果两个位置不一致，则控制电机转动，电机带动一系列齿轮组，减速后传动至输出舵盘，而舵盘和位置反馈电位计是相连的，舵盘转动的同时，带动位置反馈电位计，电位计输出的电压信号也随之改变，这样控制板就知道现在的转角，然后根据目标位置决定电机的转动方向和速度，从而达到目标停止。因此舵机具有以下一些特点：体积紧凑，便于安装；输出力矩大，稳定性好；控制简单，便于融入数字系统等。

第三章原理图设计

ss机构设计设计