李永梅，張衛(wèi)芬，遲英姿

(東南大學(xué)成賢學(xué)院， 江蘇 南京 210088)

一種PR結(jié)構(gòu)蛇形機(jī)器人的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)*

李永梅，張衛(wèi)芬，遲英姿

(東南大學(xué)成賢學(xué)院， 江蘇 南京 210088)

根據(jù)仿生蛇多冗余、多自由度的特點(diǎn)，提出了PR結(jié)構(gòu)蛇形機(jī)器人機(jī)械機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)的主要特點(diǎn)是關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的模塊化，每個關(guān)節(jié)具有3個自由度，關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)中采用了彈簧零件，每個關(guān)節(jié)有2個電機(jī)。在電機(jī)沒有力作用的情況下，彈簧通過預(yù)緊力恢復(fù)至初始位置，不需要電氣和程序控制，大大簡化了操作流程。蛇體運(yùn)行更加貼合外環(huán)境表面，增加了其執(zhí)行任務(wù)過程中的穩(wěn)定性。突破性實(shí)現(xiàn)了軸向伸縮、背部腹部彎曲等功能體態(tài)。

PR結(jié)構(gòu)；蛇形機(jī)器人；關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)；軸向伸縮

引 言

蛇形機(jī)器人是一種能夠模仿生物蛇真實(shí)運(yùn)動的新型仿生機(jī)器人。蛇形機(jī)器人的研究已經(jīng)進(jìn)入到實(shí)用階段。借助仿生蛇其特有的多自由度、多冗余自由度與多種運(yùn)動形態(tài)，可以滿足復(fù)雜環(huán)境中搜救、偵查、排除危險物品等反恐任務(wù)的需求。為了在蛇體運(yùn)動時，能夠?qū)崿F(xiàn)在不同的運(yùn)動環(huán)境中，以不同的形態(tài)和體態(tài)執(zhí)行任務(wù)，需要設(shè)計(jì)出能夠完成三維運(yùn)動的新型結(jié)構(gòu)蛇體樣機(jī)。模塊可重構(gòu)機(jī)器人由許多模塊組成，這些模塊能以多種方式斷開或連接，形成具有不同功能的新系統(tǒng)。它有3個顯著特點(diǎn)，即通用性、魯棒性和經(jīng)濟(jì)性。蛇形機(jī)器人具有模塊化結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，因此可重構(gòu)蛇形機(jī)器人的研究，極大地拓寬了蛇形機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域[1]。

1 PR結(jié)構(gòu)蛇形機(jī)器人總體設(shè)計(jì)方案

遵從柔性設(shè)計(jì)理念，通過變換不同的程序控制，來實(shí)現(xiàn)盡可能多的蛇體運(yùn)動體態(tài)，盡可能地貼近蛇體的生物特性，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前，必須明確要完成什么樣的蛇體運(yùn)動。蛇體運(yùn)動模式和體態(tài)眾多，但主要由2種基本模式組成：水平彎曲運(yùn)動和上下仰俯運(yùn)動。這就要求一個蛇關(guān)節(jié)至少要能進(jìn)行2個自由度的運(yùn)動。

目前幾乎所有的蛇體實(shí)驗(yàn)樣機(jī)都只具有2個自由度，通過2個自由度的組合進(jìn)行實(shí)際蛇體的運(yùn)動控制[2]，而使得蛇體運(yùn)動的體態(tài)控制比較復(fù)雜，不能實(shí)現(xiàn)聯(lián)合調(diào)節(jié)，也不能實(shí)現(xiàn)生物蛇的復(fù)雜形體?，F(xiàn)有的蛇形機(jī)器人結(jié)構(gòu)主要有4種：扇形齒輪式、鏈條式、云臺式及PR結(jié)構(gòu)形式。扇形齒輪式主要組成是一對垂直安裝的扇形半齒輪，并有2個軸心形成彎曲與俯仰運(yùn)動，但齒輪空間小，小模數(shù)扇形齒輪造價高，小模數(shù)蝸輪蝸桿和齒輪鏈這些部件在研制蛇形機(jī)器人中須利用現(xiàn)有裝置，難以專門設(shè)計(jì)制造，因此不能選擇。鏈條式結(jié)構(gòu)同樣也可實(shí)現(xiàn)2自由度運(yùn)動，但在關(guān)節(jié)處無法安裝電機(jī)，圓環(huán)框架制造與裝配都很麻煩。云臺式結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)緊湊和承載大，但將其作為仰俯運(yùn)動部件擔(dān)負(fù)沉重負(fù)荷，放置在電機(jī)軸上并不合適。

基于以上原因，本文蛇形機(jī)器人采用PR結(jié)構(gòu)。PR結(jié)構(gòu)是指俯仰(Pitch)運(yùn)動中添加繞蛇體縱軸的橫滾(Roll)運(yùn)動。即在作橫滾運(yùn)動的電機(jī)軸上安裝作俯仰運(yùn)動的電機(jī)。兩者為剛性聯(lián)結(jié)，用它們組成一個蛇關(guān)節(jié)單元，原理圖見圖1。PR結(jié)構(gòu)是目前較為流行的做法，其優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡單，效率高。如圖所示，電機(jī)BN一般不工作，當(dāng)它處于校零位置時，電機(jī)AN作水平彎曲運(yùn)動，當(dāng)BN轉(zhuǎn)至法向位置后AN作上下俯仰運(yùn)動。但此結(jié)構(gòu)對驅(qū)動電機(jī)力矩的要求過大，且不能實(shí)現(xiàn)目前的復(fù)雜和高速運(yùn)動。在運(yùn)動控制中存在速度慢、控制不方便以及蛇體運(yùn)動靈活性不足等缺點(diǎn)，所以要在這個PR結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化。

圖1 PR結(jié)構(gòu)原理圖

2 自由度及關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)

PR結(jié)構(gòu)的蛇形機(jī)器人關(guān)節(jié)有3個自由度，即俯仰運(yùn)動、繞蛇體縱軸的橫滾運(yùn)動以及軸向伸縮(Pull-Push)運(yùn)動。軸向伸縮運(yùn)動自由度的添加，使得機(jī)器人在各種環(huán)境中的各種運(yùn)動體態(tài)更容易得到控制。例如在地震廢墟中，蛇體要通過狹小的混凝土結(jié)構(gòu)的縫隙時，蛇體的彎曲運(yùn)動沒有用處，需要采用類似于環(huán)形動物螞蝗和蚯蚓的運(yùn)動體態(tài)，通過狹小的空間[3]。

考慮蛇體運(yùn)動過程中有關(guān)重心方面的體態(tài)問題，要使蛇體運(yùn)行過程中，更加貼合外環(huán)境表面，增加其執(zhí)行任務(wù)過程中的穩(wěn)定性[4]，設(shè)計(jì)了圖2所示的蛇體關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)。

圖2 PR結(jié)構(gòu)關(guān)節(jié)圖

機(jī)器蛇在執(zhí)行任務(wù)過程中，需要有彎曲變形、上下俯仰變形、軸向伸縮變形等體態(tài)，每個關(guān)節(jié)需要安裝2個電機(jī)。蛇體關(guān)節(jié)運(yùn)行原理為：左端電機(jī)轉(zhuǎn)動相關(guān)角度，帶動搖桿，操縱頂針運(yùn)行至下端的伸縮孔；右端電機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動絲杠同步旋轉(zhuǎn)，操縱絲杠擋板沿著導(dǎo)槽左行，壓縮頂針系統(tǒng)，使得伸縮桿左移，外伸出箱體，實(shí)現(xiàn)相鄰兩關(guān)節(jié)底端位置變化；右端電機(jī)回轉(zhuǎn)至零位，至下一循環(huán)。

3 關(guān)節(jié)動力配置及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中主要完成了動力源、關(guān)節(jié)箱體結(jié)構(gòu)、關(guān)節(jié)箱體輪廓及主要零件的設(shè)計(jì)。蛇形機(jī)器人每個關(guān)節(jié)原則上須配備獨(dú)立動力源，按現(xiàn)有條件可選擇位移電機(jī)。目前能夠選擇的只有舵機(jī)和步進(jìn)電機(jī)兩種位移型電機(jī)。

三維運(yùn)動(爬樹)需要較大的轉(zhuǎn)矩，因此必須使用體積大的電機(jī)。此外，過重的電纜限制了蛇的關(guān)節(jié)數(shù)。蛇關(guān)節(jié)電機(jī)第2項(xiàng)技術(shù)要求是選擇轉(zhuǎn)矩體積比大的電機(jī)(分子是轉(zhuǎn)矩，分母是體積)。在參閱了大量電機(jī)產(chǎn)品資料后，選擇型號為24BYJ48的四相八拍帶減速比64的永磁步進(jìn)電機(jī)。需要對電機(jī)進(jìn)行靜態(tài)與制動轉(zhuǎn)矩測定。

如圖3所示。一個試驗(yàn)是靜態(tài)的，即施加多大外力矩可使轉(zhuǎn)軸開始轉(zhuǎn)動。另一試驗(yàn)是在四相電機(jī)的某繞組通以40 mA的直流電流，在“電制動”條件下測試輸出軸自鎖能力，又稱保持轉(zhuǎn)矩。第2個試驗(yàn)的意義在于：所測轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)與步進(jìn)脈沖工作時產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)比較接近，并且后者略大于前者。第1個試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)為1 760 g·cm，約為產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)規(guī)定(350 g·cm)的5倍。此試驗(yàn)在40 mA電流即加載12 V電壓的條件下(實(shí)測繞組電阻為270 Ω)為2 560 g·cm。可見若加大制動電流，制動轉(zhuǎn)矩能得到很大的提升。因此，蛇關(guān)節(jié)電機(jī)中不參加動作的電機(jī)均讓其處于使能狀態(tài)，以增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖3 電機(jī)測試圖

圖4所示為關(guān)節(jié)箱體輪廓。當(dāng)各孔單一作用時，負(fù)責(zé)向一個方向彎曲，即：孔1和孔3負(fù)責(zé)蛇關(guān)節(jié)的上下俯仰自由度；孔2和孔4負(fù)責(zé)蛇關(guān)節(jié)的左右彎曲運(yùn)動。當(dāng)4個孔同時作用時，即完成相鄰關(guān)節(jié)之間的伸縮運(yùn)動體態(tài)?？?和孔6為電線預(yù)留走線孔。在關(guān)節(jié)的兩個電機(jī)的運(yùn)行中，電機(jī)A負(fù)責(zé)旋轉(zhuǎn)伸縮桿至指定位置，電機(jī)B負(fù)責(zé)通過擋板壓縮伸縮桿，使得相關(guān)控制的位置伸長，以達(dá)到相鄰關(guān)節(jié)的軸線變化或相鄰關(guān)節(jié)的間距變化的效果。

圖4 關(guān)節(jié)箱體示意圖

為了簡化機(jī)械結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，采用了彈簧零件，在電機(jī)沒有力作用的情況下，彈簧通過預(yù)緊力恢復(fù)至初始位置。這樣不需要電氣和程序控制，大大簡化了操作流程。

基于運(yùn)動體態(tài)控制和蛇體運(yùn)行時穩(wěn)定性的要求，必須降低蛇體關(guān)節(jié)的重心。圓形蛇體輪廓與地面接觸時為點(diǎn)接觸，使得蛇體在軸線方向上相對于外環(huán)境的旋轉(zhuǎn)自由度得不到控制，降低了穩(wěn)定性和控制精度，影響體態(tài)控制，增加了運(yùn)動的阻力。因此箱體輪廓并非圓形結(jié)構(gòu)，而是采用三角過圓弧形狀輪廓，見圖5。

圖5 箱體輪廓

4 主要零件設(shè)計(jì)

4.1 鉸鏈爪和球形墊圈的設(shè)計(jì)

考慮到關(guān)節(jié)與關(guān)節(jié)位置變化時，一個關(guān)節(jié)與相鄰關(guān)節(jié)有相對轉(zhuǎn)動，在設(shè)計(jì)時，要規(guī)避“運(yùn)動卡死”與“死角”等情況發(fā)生。將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成可轉(zhuǎn)動，且接觸面為球面，以減少阻力，見圖6(a)和圖6(b)。

4.2 伸縮桿件和頂針的設(shè)計(jì)

作為蛇體運(yùn)動的主要組成部分之一，伸縮桿件在蛇體整個機(jī)構(gòu)中擔(dān)任著舉足輕重的作用：通過改變伸縮桿在箱體中和箱體外的長度來實(shí)現(xiàn)蛇體相鄰關(guān)節(jié)的相對位置的變化。由于伸縮桿件在蛇體運(yùn)動時是關(guān)鍵零件，在關(guān)節(jié)蛇體結(jié)構(gòu)的孔中伸縮，有一定的行程，因此裝配關(guān)系采用間隙配合，且選擇強(qiáng)度和剛度較大的1Cr13作為其加工材料。設(shè)定伸縮桿的行程為10 mm。考慮到A電機(jī)控制搖桿，從而操縱頂針在指定位置工作時，需要和其他部件進(jìn)行滑動摩擦，因而將頂針設(shè)計(jì)成錐式，見圖6(c)。

4.3 搖桿的設(shè)計(jì)

搖桿的設(shè)計(jì)需要考慮其運(yùn)動時與箱體壁的位置關(guān)系以及形狀、強(qiáng)度剛度、裝配等因素。將其設(shè)計(jì)成Z形，見圖6(d)。

4.4 絲杠擋板的設(shè)計(jì)

絲杠擋板的設(shè)計(jì)需要綜合考慮蛇體控制的方案：實(shí)現(xiàn)彎曲時，需要改變蛇體單個(4個中的1個)位置的伸縮桿件的長度；實(shí)現(xiàn)伸縮時，則須控制絲杠擋板壓住蛇體杠4個伸縮桿，且要考慮到對頂針的控制。因此將絲杠擋板設(shè)計(jì)成鏤空形，見圖6(e)。

圖6 主要零件圖

5 運(yùn)動控制的實(shí)現(xiàn)

理想的趨勢是建立蛇體行為庫，根據(jù)攝像頭等傳感系統(tǒng)搜集的前方目標(biāo)及障礙物信息選擇行為庫，進(jìn)而進(jìn)行越障運(yùn)動。最終決定采用51單片機(jī)作為MCU，設(shè)計(jì)擴(kuò)展電路驅(qū)動32個關(guān)節(jié)電機(jī)，做蛇樣機(jī)的運(yùn)動試驗(yàn)，控制框圖如圖7所示。所選用的51系列單片機(jī)型號為P89V51RD2，進(jìn)行編程實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了蛇形機(jī)器人在地面的蜿蜒游走運(yùn)動，見圖8。

圖7 控制框圖

圖8 運(yùn)動實(shí)現(xiàn)圖

6 結(jié)束語

本文實(shí)現(xiàn)了一個具有多種運(yùn)動模式的仿生蛇試驗(yàn)樣機(jī)。采取增加剛性關(guān)節(jié)數(shù)的方案，盡量縮小關(guān)節(jié)的軸向徑向尺寸長度比。目前蛇關(guān)節(jié)長度為112 mm、體寬66 mm、總關(guān)節(jié)數(shù)為16節(jié)。每關(guān)節(jié)工作電流最高達(dá)2 A，驅(qū)動蛇體進(jìn)行彎曲，與其他各關(guān)節(jié)配合動作，1.8 m長的蛇體總功率僅為400 W。目前僅能實(shí)現(xiàn)蛇形機(jī)器人在平整地形上的水平彎曲蜿蜒、“P2P”模式前進(jìn)、側(cè)向盤旋等運(yùn)動體態(tài)。在后續(xù)的發(fā)展中可以添加外部環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備，如CMOS攝像頭、壓力傳感器等。CMOS攝像頭用于對外部大環(huán)境的預(yù)先監(jiān)測，以調(diào)用相應(yīng)的行為庫，完成游行任務(wù)。壓力傳感器裝載于蛇體的各個關(guān)節(jié)(腹部)，以感應(yīng)游行過程中所受到的力，詳細(xì)分析細(xì)微變化的外環(huán)境，優(yōu)化任務(wù)執(zhí)行行為。

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李永梅(1979-)，講師，主要研究方向?yàn)槲C(jī)測控。

Structure Optimization Design of a PR Structure Snake-like Robot

LI Yong-mei，ZHANG Wei-fen，CHI Ying-zi

(ChengxianCollegeofSoutheastUniversity,Nanjing210088,China)

Based on the characteristics of redundant and multi-degree of freedom of bionic snake, the mechanical mechanism of PR structure snake-like robot is proposed. The main feature of this mechanism is its modular joint. Each joint has three degrees of freedom, spring parts are used in joint structure, and each joint has two motors. When the motor has no force, the spring returns to the initial position through the pre-tightening force. No electric and program control are needed, the operation process is greatly simplified. The movement of the robot is more fitting to the surface of external environment, increasing its stability during task execution. Breakthrough functional postures such as axial expansion, back and abdomen bending are achieved.

PR structure; snake-like robot; joint structure; axial expansion

2014-10-21

TP24

A

1008-5300(2015)01-0061-04