劉響響

（江西工業(yè)工程職業(yè)技術學院，江西萍鄉(xiāng)337000）

0 引言

蛇形機器人因其在復雜環(huán)境中運行的優(yōu)點而備受各領域關注。目前，蛇形機器人的用途分為兩大類[1-5]，一類是目標診測，另一類是目標點處理（例如障礙物清理、設備故障維修等）。診測領域對外界功率輸出較小，因此對電源輸出和續(xù)航需求較低；但是大距離運動和目標點處理則對電源續(xù)航和功率需求較高，因此，目前該領域普遍采用尾部拖電源線形式，由尾部電纜實時給蛇形機器人供電。但該種供電形式影響到了蛇形機器人實際使用的靈活性（常見問題如容易卡住尾拖線，電源線在運行過程中發(fā)生磨損漏電或線路斷裂）[6-8]，針對該問題，文中給出了一種軟體蛇形機器人的電源系統(tǒng)設計。

1 軟體蛇形機器人電源需求分析

根據(jù)軟體蛇形機器人的結構可知[9]，軟體蛇形機器人關節(jié)系統(tǒng)與電機關節(jié)系統(tǒng)存在較大的差異，軟體關節(jié)多數(shù)采用氣囊或液態(tài)囊體，通過對可變形囊體的控制實現(xiàn)關節(jié)的伸展或者收縮，進而實現(xiàn)蛇形機器人關節(jié)的運動。為滿足軟體蛇形機器人對外做功和自身載荷的需求，需要提升機器人電源瞬時功率和電源電荷量，由于蛇形機器人體積較小，這就要求提升軟體蛇形機器人自身形體的空間利用率。軟體蛇形機器人關節(jié)結構如圖1所示。

圖1 軟體蛇形機器人關節(jié)結構

2 蛇形機器人電源組成結構布置

根據(jù)前面的分析，軟體蛇形機器人可以采用雙電源結構，其中一個電源系統(tǒng)內置在蛇形機器人每個關節(jié)的四個囊體中，即囊體電源部分。所謂“囊體電源”，即改變囊體內置物，在蛇形機器人關節(jié)的A、B、C、D四個可變形囊體中充入液態(tài)電解液，當蛇形機器人關節(jié)需要做相應的運動時，只需將各個囊體中的電解液通過液態(tài)泵抽取到相應的囊體中，即可改變相應囊體的形狀，完成關節(jié)的動作。不管蛇形機器人關節(jié)囊體如何變化，囊體中的電解液都不會減少，電解液中存放的電荷量都能通過相應的電路結構對機器人本體提供電源。

另外，在蛇形機器人關節(jié)的中心，也就是圖1中前后法蘭盤中間連接部分內置軟體電池串，該部分電源稱為“脊柱電源”，其結構如圖2所示。

圖2 蛇形機器人脊柱電源結構圖

圖2中，法蘭盤用于連接機器人前后關節(jié)系統(tǒng)；每個蛇形機器人關節(jié)的脊柱結構內置可充電型鋰電池塊8塊，每個圓柱形電池底面直徑2 cm，電池柱高0.5 cm，每兩個電池之間采用彈性橡膠囊塊作為間隔方式，間隔塊之間通過電極片和導電性彈簧連接。電池局部結構如圖3所示。

圖3 電池局部結構圖

圖3中，氣囊的存在使得單體電池之間可以靈活彎折，能夠適應蛇形機器人關節(jié)的轉彎，并且在蛇形機器人運動過程中不影響電池結構對外輸出電源。電池正負極之間采用彈簧結構連接，以適應運動過程中電路系統(tǒng)對穩(wěn)定性的要求。

3 蛇形機器人電源電路系統(tǒng)設計

蛇形機器人各關節(jié)中存在4個囊體，各個囊體中充溢著液態(tài)電解液，每個小囊內壁均由彈性材料構成，并且囊體之間存在連通管和控制閥，由控制器實現(xiàn)對各個囊體的控制，相當于4個可變容量電池，電路原理如圖4所示。由于各個囊體中電解液隨關節(jié)的伸縮而發(fā)生增減，單個關節(jié)的電壓也會隨之變化，所以采用串聯(lián)形式，使各個關節(jié)的囊體電池構成一個串聯(lián)電路，組成一個串聯(lián)電壓源，最后經整流芯片完成對該部分電壓源的電壓、電流整合，以滿足蛇形機器人的液態(tài)泵和附屬裝置的電源需求。

圖4 蛇形機器人關節(jié)囊體電路組成

在蛇形機器人關節(jié)的中心存在一條圓柱形柔性材料制造的電池組，這些由鋰電池塊首尾相連組成的電池組形成了一個單體電源——脊柱電源。通過并聯(lián)的形式將蛇形機器人各關節(jié)的脊柱電源進行連接，形成一個穩(wěn)定的電壓源，對外部設備供電。每個鋰電池額定電壓選取為1.5 V，單個蛇形機器人關節(jié)內脊柱可形成12 V額定電壓。蛇形機器人脊柱電池組結構如圖5所示。

圖5 脊柱電池組連接結構圖

4 結語

因驅動電源受到機器人結構的限制，蛇形機器人續(xù)航能力不足。本文對蛇形機器人自身結構進行了改進設計，能夠實現(xiàn)電源與機器人自身結構的良好結合，提升機器人的電源續(xù)航穩(wěn)定性，同時也能更好地實現(xiàn)機器人仿生性能，降低無用功能耗。