黃子毫 王博 程超 柳健 劉書生 白琨

【摘 要】本文以實現(xiàn)蛇形機器人的蜿蜒移動為目標，基于Labview平臺對蛇形機器人進行了控制系統(tǒng)設計。首先介紹了舵機的選擇，其次分析了8個舵機實現(xiàn)蛇體蜿蜒運動的工作流程，并依此設計了控制面板，進行了舵機控制程序調試，最終實現(xiàn)了根據(jù)安裝在機器人頭部的攝像頭采集的反饋信息自主控制各個關節(jié)舵機的運轉，為進行蛇形機器人其它運動形態(tài)的控制設計等奠定了基礎。

【關鍵詞】蜿蜒移動；Labview；控制設計

中圖分類號： TM273 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）27-0021-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.27.009

0 引言

我國各種自然災害頻發(fā)，災后救援是減少生命財產損失的重要工作。應急救援機器人成為研究的熱點，其中蛇形機器人具有穩(wěn)定性好、橫截面小、柔性等特點，其在廢墟搜救工作中具有廣闊的應用前景。本文在一種蛇形機器人結構的基礎上，對其進行控制設計，以實現(xiàn)蛇類最為普遍的運動方式-蜿蜒運動。

1 蛇形機器人結構

本文蛇形機器人結構如圖1所示，采用舵機作為控制器，并將舵機直接作為蛇體模塊，模塊與模塊之間的關節(jié)采用連接桿連接。即在舵機上安裝一個舵機盤，在舵機盤上固定一個鏈接桿，連接桿末端是一個球絞，在另一個單元模塊上鏈接一個一個曲柄，曲柄通過與球絞鏈接，從而與后一個單元模塊連接起來。當舵機發(fā)生轉動時，連桿也同步于舵機發(fā)生轉動，從而帶動曲柄發(fā)生轉動，因為舵機盤轉動時，角度發(fā)生變化，起到鏈接作用的兩個組鏈接桿的相對距離是不同的，從而帶動另一個單元模塊發(fā)生移動，單元模塊下的輪子是萬向滾珠，并不會對單元模塊移動時產生過大的阻力。單個模塊間產生相對運動，整體亦相對運動，控制這種相對運動讓其滿足蜿蜒運動模式。本設計是通過軀動尾部蜿蜒擺動，將軀干向前挪動，同時頭部是保持不動的。機器人的頭部、尾部的設計大體相似，便于零件的加工和替換，蛇形機器人的頭部作為搜救、探測的主要部分，應該具備天線、紅外探測傳感器、微型攝像頭等。

2 控制系統(tǒng)設計

2.1 舵機的選擇

舵機，即一種伺服電機，它是一種集成化的機構，包括電機、牙箱、控制板、傳感器和外殼五大模塊。特別是在牙箱內，里面有形體很小的齒輪和齒輪軸，能夠使得舵機這一模塊方便的擔負起轉動的任務，并且不需要進行復雜的連接機構的設計，大大的方便了機器人的設計和提高了工作效率。

舵機種類繁多，大致可以分為三類：大扭力舵機、微型舵機、標準舵機。對于舵機來說，主要的性能有大小、重量以及扭力和速度，根據(jù)舵機內部的結構組成可以很清楚的知道舵機的扭力和速度是由舵機內部齒輪以及電機所決定的。通常來說，扭力就是舵機扭轉的力度。速度，即指移動一個單位距離所用的時間，它與輸入脈沖的脈寬有關，如圖2所示。

本文根據(jù)設計需要，選用HITEC HS-475HB舵機。該舵機體積小、便于安裝、控制簡單。具體參數(shù)如下：

重量：40g

尺寸：38.8×19.8×36mm|

拉力：[4.8V] 4.4Kg.cm

拉力：[6.0V] 5.5Kg.cm

轉速：[4.8V] 0.23sec/60°

轉速：[6.0V] 0.18sec/60

2.2 控制程序設計

本文設計的蛇形機器人就是在蛇的頭部安裝了攝像頭，通過NI公司研發(fā)的圖形化編程軟件LabVIEW進行編程控制來實現(xiàn)攝像頭拍攝及信息反饋，針對反饋信息進行分析，從而控制蛇體各個關節(jié)模塊進行不同的運動，完成一個完整的蜿蜒前行運動。蛇形機器人頭部攝像頭的控制程序如圖3所示。機構涉及到8個舵機，在進行編輯舵機運動程序前先進行通訊參數(shù)調試。本文所選的舵機的擺動角度為0～180°，設定舵機的初始狀態(tài)的角度為90°。假設8個舵機的初始狀態(tài)的角度都是90°，則整條蛇體完成一次蜿蜒運動一共分為8步，如圖4所示：1.①號舵機轉動到60°；2.②號舵機轉動到120°，①號舵機轉到 30°；3.③號舵機轉動到60°，②號舵機轉動到150°，①號舵機轉到90°；4.④號舵機轉到120°，③號舵機轉動到30°，②號舵機轉動到 90°，①號舵機轉到150°；5.⑤號舵機轉到60°，④號舵機轉到150°，③號舵機轉動到90°，②號舵機轉動到60°，①號舵機轉到 90°；6.⑥號舵機轉到60°，然后⑦⑧號舵機轉到180°，⑤號舵機轉到0°，③號舵機轉動到150°；7.⑥號舵機轉120°，然后⑦⑧號舵機轉到90°；8.⑥號舵機轉到 60°。控制面板和程序調控界面如圖5所示。

3 結語

本文以實現(xiàn)蛇形機器人的蜿蜒移動為目標，基于Labview平臺對蛇形機器人進行了控制系統(tǒng)設計。首先介紹了舵機的選擇，其次分析了8個舵機實現(xiàn)蛇體蜿蜒運動的工作流程，并依此設計了控制面板，進行了舵機控制程序調試，最終實現(xiàn)了根據(jù)安裝在機器人頭部的攝像頭采集的反饋信息自主控制各個關節(jié)舵機的運轉，為進行蛇形機器人其它運動形態(tài)的控制設計等奠定了基礎。

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