机器人概论小论文

关于蛇形机器人系统的典型组成的分析

学院：电子信息学院学号：1042052090 姓名：周家琦当代机器人的研究领域已经从结构环境下的定点作业中走出来，向航空航天、星际探索、军事侦察攻击、水下地下管道、疾病检查治疗、抢险救灾等非结构环境下的自主作业方面发展。未来的机器人将在人类不能或难以达到的已知或未知的环境里工作。传统的设计方法已经不能满足机器人在非结构化的、未知的环境下作业的要求。随着仿生学的发展，自然界中无四肢动物的运动方式引起了学者的兴趣，这种运动具有良好的地面适应性和运动稳定性。蛇是无四肢动物中最庞大的一类，它在自然界中有几千年的进化历史，种类繁多，分布广泛。它能进行多种运动以适应不同的生活环境，沙漠、水池、陆地、树林等。蛇形机器人就在这种背景下诞生了。以下从这种机器人的控制、传感、机构、通信等系统方面出发，简单介绍相应的实现机理与控制的方案，分析其系统的典型组成。

蛇形机器人的控制系统

蛇形机器人整体图蛇形机器人基本的设计思想，就是通过改变各个关节之间相对运动角度来使蛇体达到相应的运动姿态，从而实现蛇体的运动。通过仿真可以计算出蛇在不同运动形态，不同时刻各个关节之间的相对转角，通过控制每个关节的转角，就能实现了蛇的连续蜿蜒运动。在控制中，有集中式控制方法与分布式控制方法可以选择。集中式控制方法是通过一个主控单元完成机器人的形态规划，并发出控制信号给机器人的每一个关节，同时控制机器人的所有关节的运动，这种方式控制简便，机器人各关节运动的同步性较好，但是主控单元负荷较大，控制的实时性受到影响。分布式控制方法是主控单片只控制机器人的运动形态规划，将各个关节的转角数据传送给各个关节。机器人的每个关节均有一个独立的控制模块，该控制模块接收主控单元发送的转角数据，控制各自关节的转动。这种控制方式主控单元与每个控制模块的负荷均较小，实时性较高，但是由于模块较多，运动时需要同步，机器人整体的同步性较差。比较以上两种控制方式，我们采用两种控制方式相结合的方法。采用两个控制单元，两个控制单元通过无线发送接收模块进行同步，而每个单元同时控制６个关节的运动，通过二者的协调控制，实现机器人的控制，控制方式如图下图所示。

采用分布式与集中式相结合的控制方式，既满足了控制实时性的要求，又减小了每个单元负荷，且只有两个控制模块，同步性也得到了提高。

蛇形机器人的传感系统

无肢运动的最大优点是对环境的适应能力，先前所作的许多研究都是针对蛇形机器人单个运动方式，每种运动方式都有不同的优点和缺点，当机器人在非结构化的环境中行进时，需要根据环境的变化实时的对运动方式进行选择。为了适应环境的变化，人们提出了基于传感器的在非结构环境下的蛇形机器人的在线路径规划。该机器人模型共由7个相同模块，组成每个模块可实现摆动和俯仰运动，共有12个自由度。为了躲避障碍物，蛇体的左右两侧各放置6个红外传感器，超声波探头和摄像头装在头部，这些传感器提供周围的环境信息，超声波探头主要用来构建自由活动地图以及探测前方的障碍物。人们又发展了一种新的步态合成器，该步态合成器包括三个模块：运动方式选择模块，运动方式评估模块和步态修正模块。首先基于模糊控制原则运动方式从六种基本运动方式中进行模块选择，然后根据机器人先前学习到的经验，运动方式评估模块对所选的步态进行评估，仲裁；最后步态修正模块根据动态系统反馈的，信息实时地对步态的幅度进行调整。

蛇形机器人的机构系统

蛇形机器人由蛇头、蛇体、蛇尾组成，节数需根据具体环境设定。蛇体各节之间有两种连接方式，一种是球头铰链连接，另一种是前后嵌入式连接。使得机器人可以根据需要进行自由组合。蛇体沿轴线方向按120°均匀分布3排车轮。车轮有3种形式，一种是与球头连接的车轮，一种是与轴固定连接的车轮，另一种是与轴活动连接的。在

车轮中间有3排减磨轮。蛇头中段安装有左右转向组件。该组件也可以安装在蛇尾，能够实现蛇体的左右转弯、转向功能。在蛇体的每段后轴上装有驱动组件，能够实现蛇体的前进与后退功能。在蛇体第2、3节之间安装有爬升组件，在第4、5节与5、6节之间也可以安装爬升组，使蛇体（蛇头）多节抬起实现爬升功能。

蛇形机器人的通信系统

单片机无线串口通信模块等组成主控单元。它与监控电脑之间采用无线传输通讯，接受运动开始，运动模式等控制信号。同时它对于每个执行单元中的下位机来说，它又是一个主控机，与各个下位机采用有线通讯方式，通过串口发出运动或同步时钟等信号，传输到执行单元上的各个单片机。传输的信号主要有：初始位置调整信号，运动开始信号，同步时钟信号，中断信号运动停止信号以及运动模式信号。为方便信号识别，分别将它们对应于不同的数据00，01，02，03，04，05，06……其中运动模式信号可对应于多个数据，代表不同的运动方式。执行单元的单片机接到主控系统发出的信号后，对其进行识别和判断（如果检测到的信号是00，那么执行初始位置的调整；如果检测到的是01，则对应于运动开始并依此类）推执行相应的动作。同样当下位单片机检测到一些特殊情况，比如电机转动角度超过最大限定位置等，可以通过串口，主控系统发出中断信号，再有主控系统向各单片机发出中断指令，同时主控系统通过无线传输，在计算机的控制界面上发出报警信号。

随着机器人应用领域的不断扩大，仿生机器人的研究成为重要的科研方向。蛇形机器人不但适用于星际探索、军事侦察攻击、水下地下管道、疾病检查治疗、抢险救灾等非结构环境下的自主作业方面发展，它还可以用于避障、通过粗糙、平坦、光滑的表面。由于其多自由度的特点，它可以作为操作手进行危险情况作业，并实现三维空间运动，完成夹持、利用身体移动物体等功能。