仿生機器蛇的設計

摘要：文章主要描述仿生機器蛇的設計，包括機器蛇的結構設計和運動(dòng)規劃連貫動(dòng)作的實(shí)現。通過(guò)對蛇形機器人在有障礙物和無(wú)障礙物環(huán)境中，進(jìn)行不同連貫動(dòng)作的運動(dòng)規劃和運動(dòng)形式變化，找出機器人設計的不同側重點(diǎn);最后，將對本文的不足和實(shí)驗時(shí)所遇到的困難進(jìn)行總結，并加以展望。

0 引言

隨著(zhù)社會(huì )的發(fā)展，人類(lèi)的需要，一些在特定環(huán)境中擁有獨特技巧和能力的機器人應運而生，蛇形機器人就是其中一種。蛇形機器人是根據蛇的骨骼和運動(dòng)原理所制造的仿生機器人，憑借其獨特的運動(dòng)形式和身體結構，應用前景可以說(shuō)是無(wú)可限量。

1 系統總體構成

本文所研究的蛇形機器人采用Solid Snake(SS)機構設計。Solid Snakc利用垂直和水平方向正交的關(guān)節來(lái)模擬蛇類(lèi)生物柔軟的身體，每?jì)蓚€(gè)正交的關(guān)節組成一個(gè)單元體，每個(gè)單元體相當于一個(gè)萬(wàn)向節，具有兩個(gè)方向的自由度，整體形成一個(gè)高冗余度的結構體。這樣的機構設計使蛇體具有向任何方向彎曲的能力。其殼體機構、舵機與殼體安裝方式和兩個(gè)單元連接方式，即以垂直→水平→垂直的方式相連接，以模仿生物蛇的關(guān)節，如圖1所示。

系統總體設計框圖如圖2所示。首先在計算機上測試每個(gè)插座對應的舵機，簡(jiǎn)而言之就是對號入座，首先找出每個(gè)舵機的零點(diǎn)位置，然后編程，將已編寫(xiě)好的程序下載到控制板里面，通過(guò)控制板實(shí)現對舵機的直接控制，電源控制板為所有的舵機提供動(dòng)力，最后經(jīng)過(guò)多次的調試仿生機器蛇即可以完成一套連貫的動(dòng)作。

2 仿生機器蛇的運動(dòng)規劃

要想完成仿生機器蛇在現實(shí)環(huán)境中自由運動(dòng)，就需要先對其進(jìn)行運動(dòng)力學(xué)分析和路徑規劃。

2.1 仿生機器蛇的運動(dòng)力學(xué)分析

本文所研究的蛇形機器人由垂直方向與水平方向交替連接，依次可以做二維運動(dòng)。而每個(gè)舵機的范圍在-90°～+90°之間。當蛇形機器人在平面上運動(dòng)時(shí)，它的運動(dòng)示意圖如圖3所示。

(1)平面蜿蜒運動(dòng)。平面蜿蜒運動(dòng)是通過(guò)控制關(guān)節模塊水平軸的關(guān)節保持直線(xiàn)，而垂直軸的關(guān)節呈正弦變化實(shí)現;采用的算法公式為：

(2)側向運動(dòng)。側向運動(dòng)是控制關(guān)節模塊的垂直軸的關(guān)節和水平軸的關(guān)節都呈正弦變化，兩個(gè)曲線(xiàn)之間有一個(gè)相位差;采用的算法公式為：

(3)伸縮運動(dòng)。伸縮運動(dòng)方式可以通過(guò)控制它的垂直軸的關(guān)節保持直線(xiàn)，而水平軸的關(guān)節呈正弦的變化實(shí)現。它的垂直面內運動(dòng)，適合穿越狹小的管道。采用的算法公式為：

(4)翻滾運動(dòng)。翻滾運動(dòng)是控制關(guān)節模塊的垂直軸的關(guān)節和水平軸的關(guān)節變化而實(shí)現，其采用的算法公式為：

2.2 仿生機器蛇的路徑規劃

所謂的路徑規劃就是指在障礙物的環(huán)境中，按照某一特定的評價(jià)標準，尋找一條從起始狀態(tài)到目標狀態(tài)的不會(huì )發(fā)生任何碰撞的路徑。如果把運動(dòng)物體看作是所研究的問(wèn)題的某種狀態(tài)，把障礙物看成是所要解決的約束條件，無(wú)碰撞路徑規劃就是滿(mǎn)足次約束的解，因此空間路徑規劃可以描述成求解滿(mǎn)足約束條件的過(guò)程。為了更好地理解路徑規劃，可以將其分解成兩個(gè)問(wèn)題。

(1)尋找空間問(wèn)題。在某個(gè)指定區域R內，確定物體的安全A位置，使其不與在次空間內的已有物體B發(fā)生碰撞。

(2)尋找路徑問(wèn)題。在以上指定區域R內，確定物體A從初始位置到目標位置的安全途徑，使其在移動(dòng)過(guò)程中物體A與物體B不發(fā)生碰撞。

圖4表示的就是在障礙物環(huán)境中物體A在不碰撞物體B的情況下到達指定區域。

3 仿生機器蛇連貫動(dòng)作的設計

軟件采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，舵機控制程序進(jìn)行相應模塊化設計，形成基本動(dòng)作“積木”單元，組合連貫動(dòng)作套件包。這些“積木”單元都很容易互相拼接、組裝。用這些“積木”可以很方便地搭建出各種發(fā)揮想象力的機器人，并可為自己搭建出的機器人編程。

3.1 蛇形機器人連貫動(dòng)作

蛇形機器人的連貫動(dòng)作主要是將前面幾種運動(dòng)策略連接而成。圖5所示為蛇形機器人連貫動(dòng)作結構圖。

3.2 蛇形機器人一爬行運動(dòng)

蛇形機器人的爬行動(dòng)作，屬于蛇類(lèi)的蜿蜒運動(dòng)，自然界中蛇類(lèi)的運動(dòng)都是“S”形的，類(lèi)似于正弦曲線(xiàn)。由于實(shí)驗條件的限制，本研究所做的爬行動(dòng)作以“弓”形代替。如圖6所示。

以下實(shí)驗數據，表示著(zhù)蛇形機器人由左“弓”形到右“弓”形時(shí)的各個(gè)舵機的角度，因為爬行動(dòng)作并不需要太快，所以速度全都設置為150。這樣每個(gè)動(dòng)作的變化都不是很快，但是相應的蛇形機器人所做的每個(gè)動(dòng)作都很平穩。每個(gè)動(dòng)作完成后有2s的延時(shí)。爬行運動(dòng)的程序結構如圖6所示。

3.3 蛇形機器人一翻滾動(dòng)作

蛇形機器人的翻滾動(dòng)作屬于蛇類(lèi)的側向運動(dòng)。翻滾動(dòng)作的實(shí)現首先要使蛇形機器人有一定的彎曲，然后在固定兩個(gè)點(diǎn)，調試其余的舵機，使其可以360°的翻滾，如圖7所示。

3.4 蛇形機器人一盤(pán)起、攻擊動(dòng)作

蛇形機器人盤(pán)起、攻擊的動(dòng)作是比較綜合的一個(gè)動(dòng)作，因為不同的需要，每個(gè)動(dòng)作中每個(gè)舵機的速度要求也不一樣。其程序結構如圖8所示。

還有蛇形機器人的其他連貫動(dòng)作：1)蠕動(dòng)動(dòng)作，可以視為蛇類(lèi)的直線(xiàn)運動(dòng)，利用這種移動(dòng)方式可以使蛇形機器人沿著(zhù)一條直線(xiàn)前進(jìn)。而且即使改變了外界環(huán)境，也可以根據環(huán)境，對機器人進(jìn)行適當的調節，適應性強;2)側移動(dòng)作，利用蛇身扭動(dòng)與地面產(chǎn)生的摩擦力使整個(gè)身體發(fā)生位置的改變，動(dòng)作簡(jiǎn)單，可以通過(guò)改變該動(dòng)作的重復次數來(lái)改變運動(dòng)方向，即使環(huán)境改變，對蛇形機器人的側移也沒(méi)有太大影響。

4 系統的實(shí)現

系統實(shí)現了三種平臺的仿生機器蛇，如圖9所示：1)基于robotbosic設計的力量型機器蛇，有十四個(gè)自由度舵機組成，每個(gè)自由度大約1.2cm。能完成諸如扭動(dòng)、前進(jìn)、蛇頭上揚等動(dòng)作。小體積是我們的一大特色，簡(jiǎn)化了供電裝置，將電源與舵機經(jīng)過(guò)特殊的處理裝置在一起，讓動(dòng)作更加方便，同時(shí)也減少了大量的外遷線(xiàn)，使蛇能更加靈活;2)基于norstar可蠕動(dòng)前進(jìn)和盤(pán)起攻擊的仿生機器蛇，最終完成了一條14個(gè)自由度、長(cháng)約1.2m的大蛇，一條7個(gè)自由度、長(cháng)約0.6m的小蛇，實(shí)現蛇的基本動(dòng)作，將驅動(dòng)裝置安裝到蛇身體上，縮小蛇身體體積。實(shí)

物如圖8所示。優(yōu)點(diǎn)在于有短信和來(lái)電兩個(gè)功能，不足之處探測器過(guò)于敏感;3)基于arduino設計的迷你型機器蛇，共有八個(gè)小舵機組成，共15cm。蛇頭與蛇尾增加泡沫設計使蛇的形象更加逼真。小蛇能夠左右擺動(dòng)，還能向前蠕動(dòng)前進(jìn)。

5 結束語(yǔ)

本文所研制的三種機器人基本是用舵機串聯(lián)而成，結構簡(jiǎn)單，連貫動(dòng)作能舒展完成，但不足是蛇形機器人由十幾個(gè)舵機串聯(lián)而成，因為串聯(lián)的舵機數量太多，導致驅動(dòng)電流越來(lái)越小。建議改進(jìn)措施有：1)利用一個(gè)電流放大電路增大驅動(dòng)電流;2)由于串聯(lián)的舵機數越多，驅動(dòng)電流就越小，所以如果在條件允許的情況下，可以選擇減少幾個(gè)舵機;3)將所有舵機并聯(lián)，這樣可以使各個(gè)部分舵機電壓相同，驅動(dòng)電流也趨于穩定。