馬浩鵬?孫振忠?丘強?石宏?鄒佳豪

摘 要：本文介紹了一種應(yīng)用于輻射環(huán)境下的蛇形仿生巡檢機器人的設(shè)計，利用仿生物學(xué)以及結(jié)構(gòu)動力學(xué)原理確定運動結(jié)構(gòu)，由于是在微量輻射空間的應(yīng)用場景下，選擇了合適的防輻射涂層。提出了一種使其外觀結(jié)構(gòu)整體達到協(xié)調(diào)統(tǒng)一以及美觀，又確保其自由度空間限度最大化的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。本款蛇形仿生巡檢機器人以防輻射以及巡檢探測為主要特色。在電子電路層面，選擇使用了技術(shù)相當(dāng)成熟穩(wěn)定的舵機控制方案，極大地方便了機器蛇復(fù)雜動作的調(diào)試。其設(shè)計經(jīng)過了方案選擇、整體驗證、初代設(shè)計、加工組裝、調(diào)試定型等幾步。其中主要工作為結(jié)構(gòu)設(shè)計，其決定了之后蛇形仿生巡檢機器人的功能性以及靈活穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：蛇形仿生;輻射涂層;舵機;結(jié)構(gòu)設(shè)計

一、引言

本項目面向東莞大朗中國散裂中子源工程環(huán)境，檢測科學(xué)儀器運行時內(nèi)部輻射有沒有泄露以及在附近進行相關(guān)科研操作，如果工作人員親自執(zhí)行這個工作的就容易因為防護不當(dāng)而遭受輻射的侵害。因此，研究設(shè)計一種能替代工作人員在復(fù)雜狹窄的輻射場所近距離完成相關(guān)的輻射檢測和操作并實時反饋現(xiàn)場圖像信息的輻射巡檢機器人具有重要的意義。外界輻射會對核心電子元件產(chǎn)生一定的干擾，所以輻射巡檢機器人需要對環(huán)境的輻射值以及其他環(huán)境因素（如：溫度，濕度）進行檢測。并且其外殼需具備一定的防水性能以及抗輻射性能，采用密度低、強度大、高溫穩(wěn)定性好的碳化硼防水防輻射外殼設(shè)計可使其具有較強的抗干擾能力。同時由于輻射環(huán)境的特殊性，工作人員無法將機器人取出并進行人為充電，因此，我們采用了無線充電技術(shù)對機器人進行充電。

作為一種無腿無鰭的脊椎動物，它的運動方式是十分獨特的。無腿無鰭的運動方式?jīng)]有給生物蛇帶來太多的困擾，相反，這種運動方式具有非常高的魯棒性以及穩(wěn)定性，使蛇具有多種運動特征，如：蜿蜒爬行，伸縮運動，側(cè)向盤旋行進等運動。蛇形機器人是仿照生物蛇的結(jié)構(gòu)特點與運動機理而研制出的一種高冗余度的仿生機器人。相對于足式、輪式及履帶式等類型的移動機器人，蛇形機器人體積較小，運動形式多樣，具有較強的地面適應(yīng)能力，在災(zāi)后救援、軍事偵察、星際探索等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

本論文首先分析了生物蛇的骨骼結(jié)構(gòu)特征以及其運動方式，在設(shè)計前期合理選擇關(guān)節(jié)舵機，防輻射涂層。其次使用soildworks進行三維建模。接著，我們確定了蛇形機器人以集中式控制系統(tǒng)為中心，并在這個的基礎(chǔ)上選用了合適的控制硬件，對無線充電技術(shù)進行了一定的研究并確定其可行性。利用python以及C++語言編寫機器人的運動控制程序、傳感器數(shù)據(jù)反饋程序以及圖像采集程序。最終，使用ansys以及進行實物運動測試對機器人的實用性以及可行性進行了分析驗證總結(jié)。

二、蛇形仿生巡檢機器人的結(jié)構(gòu)分析與建模

1.生物蛇的結(jié)構(gòu)特點

如圖2.1所示，生物蛇的骨骼由脊椎骨、肋骨以及顱骨各個部分組成，每兩個脊椎之間通過一個球窩結(jié)構(gòu)連接在一起，且其相對旋轉(zhuǎn)的自由度十分有限，垂直軸上的旋轉(zhuǎn)自由度一般為10°～20°，而水平軸的旋轉(zhuǎn)自由度甚至僅有幾度。蛇的運動結(jié)構(gòu)便是由如此多的小運動結(jié)構(gòu)的疊加，是一種高冗余度自由度的結(jié)構(gòu)，因此蛇的脊椎越小，脊椎數(shù)目越多，則其運動越靈活。蛇的身體形狀變化則是由蛇每側(cè)相對傾斜的肌肉纖維完成的。另外，蛇皮膚上的鱗片為蛇提供了變化的摩擦特性，對蛇的向前滑行運動起著關(guān)鍵性的作用。

2.蛇形機器人運動學(xué)分析

蜿蜒運動、伸縮運動、直線運動和側(cè)向盤旋運動是生物蛇常見的運動類型。

（1）蜿蜒運動。也稱蜷曲運動，是生物蛇最快且使用頻率最高的運動，在爬行過程中，身體形狀呈“S”形，波沿著蛇的身體連續(xù)從頭到尾部向后傳播。依靠著接觸面受到的前進方向切向摩擦力與法向摩擦力的不同，不斷推動著蛇向前移動。但此運動方式不適合在光滑的平面上進行，但在水中以及粗糙平面上，其產(chǎn)生的推力大，阻力較小，效率較高。

（2）伸縮運動。當(dāng)運動范圍受限，空間較為狹窄的時候，一般采用這種運動形式。蛇將身后部分彎曲成“S”形借助鱗片形成支撐點，再將身體的前部分向前伸長，當(dāng)蛇頭完全伸出時，蛇頭會彎曲，以形成一個新的支撐點，使身后部分能夠向前移動，不斷循環(huán)該順序運動即為伸縮運動。

（3）直線運動。蛇的直線運動類型速度較慢，效率較低。通常為大型的蛇類在圍捕獵物的最后階段中采用的方式。蛇類利用不同肌肉群組的收縮與舒張以產(chǎn)生關(guān)節(jié)間微小位移來前進。

（4）側(cè)向盤旋運動。側(cè)移運動是生活在松散沙子區(qū)域的蛇類（如響尾蛇）采用的運動類型。蛇類從頭部關(guān)節(jié)開始，各關(guān)節(jié)依次采取“接地—抬起—接地”的運動形式，蛇類將會以行進方向成45°移動，并在地上留下特有痕跡。

（5）蛇形仿生巡檢機器人的運動方式。生物蛇的運動與大量的肌肉和神經(jīng)系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)十分復(fù)雜，特別是其側(cè)向盤旋運動以及伸縮運動，因此本項目只針對蜿蜒運動以及直線運動進行分析。生物驅(qū)動的響應(yīng)以生物電為載體，是分段的。脈沖沿著蛇的身體通過骨髓向后傳播，依次激活局部肌肉群，使身體各部分彎曲。即蛇的肌肉組織的激活是瞬時間斷的，在短時間內(nèi)，只有幾個特定的肌肉群被激活。因此，我們可以通過“串行”的電機指令對蛇形仿生巡檢機器人的關(guān)節(jié)進行控制。

3.驅(qū)動執(zhí)行元件以及防輻射涂層的選用

（1）驅(qū)動執(zhí)行元件的選用。作為蛇型機器人的關(guān)節(jié)，驅(qū)動執(zhí)行元件的選用需保證蛇型仿生機器人寬度的勻稱度，還需考慮到蛇的控制器體積以及內(nèi)部布線時所需要的空間，因此選用了最大扭矩為180KG.CM的獅子王舵機，具體參數(shù)以及舵機變速箱參數(shù)如下：

（2）防輻射涂層。碳化硼，如圖3所示，有著密度低、強度大、化學(xué)穩(wěn)定性好以及高溫穩(wěn)定性的特點。在陶瓷的增強相，耐磨材料、輕質(zhì)裝甲，反應(yīng)堆中子吸收劑等領(lǐng)域使用較多。除此之外，與金剛石和立方氮化硼相較而言，碳化硼成本低廉，制造容易、因而使用更加廣泛。

由于蛇形仿生機器人在輻射環(huán)境下工作，輻射對機器人控制系統(tǒng)及所帶導(dǎo)航傳感裝置具有很強的干擾性與破壞性，易于出現(xiàn)難以預(yù)料的意外。而在散裂中子源工作環(huán)境中，更多得輻射粒子為中子，碳化硼作為良好的中子吸收劑，可以有效避免電子元件在輻射下?lián)p耗，所以我們可以外露的地方涂上碳化硼以防輻射，從而更好地保護機器人及其內(nèi)部的傳感器模塊。

4.蛇形仿生巡檢機器人的建模

蛇形仿生機器人的建模包括了兩個方面的設(shè)計，分別為：蛇首，蛇身。蛇形仿生巡檢機器人重約為5kg，長約為1.5m。3D模型結(jié)構(gòu)圖與實物圖如圖4、5所示。

蛇首處所需容納的物質(zhì)較多，除了樹莓派，Arduino兩大主要控制板之外，還要放置視覺模塊，以及吐信機構(gòu)。吐信機構(gòu)由一個周轉(zhuǎn)舵機，輻射傳感器微型攝像頭以及兩個摩擦輪組成，一旦遇到狹窄路段，通過舵機提供動力，摩擦輪傳動，微型攝像頭以及輻射傳感器可深入狹窄環(huán)境探明反饋視頻數(shù)據(jù)以及檢查輻射值數(shù)據(jù)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，擁有較大的容量以及流線型的外觀。由于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，因此采用了通過增材制造技術(shù)的光敏樹脂材料并在內(nèi)表面涂覆上碳化硼涂層。

在設(shè)計蛇形機器人的機械結(jié)構(gòu)時，主要設(shè)計其關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)。蛇身處模仿生物蛇而制作，而肌肉組織的運動過程比較復(fù)雜，因此采用了正交關(guān)節(jié)的方式將蛇的首尾連接起來，這種關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，但能實現(xiàn)各種步態(tài)，而且效率還非常高。關(guān)節(jié)之間留有密封的空室。于空室內(nèi)放置有舵機控制板，電源以及傳感器，并在其內(nèi)表面涂覆一層碳化硼。同時，于蛇的底盤中加上了輔助輪以防止在重力作用下機器人因為巨大的滑動摩擦力而導(dǎo)致磨損。為了盡可能減輕重量，外殼材料采用了由鈑金工藝制作的鋁合金，以及亞克力板。

三、蛇形仿生巡檢機器人的控制系統(tǒng)

蛇形仿生巡檢機器人的控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，采用了一塊由STM32芯片控制的舵機控制板，一塊Arduino UNO板與一塊樹莓派控制板組成。

舵機控制板為動作控制核心，上位機編程可簡化編程，并分擔(dān)一定的數(shù)據(jù)處理壓力，通過接受Arduino的信號，對舵機進行直接控制。Arduino UNO作為中繼控制器，一方面接受傳感器，如溫濕度傳感器、輻射傳感器的數(shù)據(jù)，通過串口通訊的方式，將數(shù)據(jù)發(fā)送給樹莓派。另一方面接受樹莓派的指令，將數(shù)據(jù)發(fā)送給舵機控制器，間接控制舵機的動作。樹莓派作為頂層控制器，用戶通過遠(yuǎn)程連接可直接連接到其linux系統(tǒng)，通過指令讀取其接受到的傳感器信息，以及發(fā)送數(shù)據(jù)給Arduino UNO控制器，間接控制舵機的動作，與此同時，樹莓派的圖像處理功能比較完善，圖像處理，與圖像反饋的功能由其處理控制。

1.傳感器的數(shù)據(jù)反饋，控制，以及圖像采集

傳感器的數(shù)據(jù)反饋與圖像采集在ssh服務(wù)與wifi連接的條件下，在PC端的虛擬機中的Linux系統(tǒng)與樹莓派系統(tǒng)互聯(lián)，在終端上輸入一系列代碼獲取樹莓派中的數(shù)據(jù)或者發(fā)送控制指令。

傳感器的數(shù)據(jù)反饋：在連接完成狀態(tài)下，在新開的終端輸入指令確認(rèn)，在彈出一個窗口中會顯示一系列的傳感器數(shù)據(jù)值，如圖6所示。該窗口每隔一秒會顯示溫濕度，每隔一分鐘會顯示輻射值（CPM? 單位：次/分鐘），20CPM以下為正常環(huán)境下的輻射值，當(dāng)輻射值超過20CPM說明輻射值超過標(biāo)準(zhǔn)值，對人體將有一定的危害。

動作控制：在終端中輸入指令，啟動服務(wù)后將出現(xiàn)一窗口，如圖7所示，可由鍵盤輸入特定的指令使蛇形仿生機器人進行特定的動作，可執(zhí)行蜿蜒爬行，前進，后退等11個常規(guī)動作指令。

圖像采集：機器人的圖像顯示模塊共兩個：一個為蛇眼部位的攝像頭，負(fù)責(zé)寬闊環(huán)境下的視覺信息反饋，一個為蛇信處的微型窺探攝像頭，負(fù)責(zé)蛇身無法進入的狹小路段的圖像處理。如圖8所示，為處于蛇眼部位的攝像頭所采集的數(shù)據(jù)，可自動識別物體，以及顏色識別。

四、結(jié)語

本論文采用了蛇形仿生結(jié)構(gòu)解決了輪式機器人難以適應(yīng)崎嶇路面和小階梯的缺點，提高了機器人在復(fù)雜環(huán)境下的機動性。加入了兩大視覺識別模塊，提高了工作人員對環(huán)境的辨識度。而檢測環(huán)境溫濕度以及輻射量，可以大大降低救援和工作的風(fēng)險。在重要的內(nèi)表面涂上碳化硼，可以很好地防輻射，保護機器人自身。

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“廣東大學(xué)生科技創(chuàng)新培育專項資金”資助：項目號Pdjhb0493）