劉響響

（江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)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(lǐng)域關(guān)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(shè)備故障維修等）。診測領(lǐng)域?qū)ν饨绻β瘦敵鲚^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(lǐng)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(shè)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(jié)構(gòu)可知[9]，軟體蛇形機器人關(guān)節(jié)系統(tǒng)與電機關(guān)節(jié)系統(tǒng)存在較大的差異，軟體關(guān)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(guān)節(jié)的伸展或者收縮，進而實現(xiàn)蛇形機器人關(guān)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(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 軟體蛇形機器人關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)

2 蛇形機器人電源組成結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，其中一個電源系統(tǒng)內(nèi)置在蛇形機器人每個關(guān)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(nèi)置物，在蛇形機器人關(guān)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(guān)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(guān)節(jié)的動作。不管蛇形機器人關(guān)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(jié)構(gòu)對機器人本體提供電源。

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

圖2 蛇形機器人脊柱電源結(jié)構(gòu)圖

圖2中，法蘭盤用于連接機器人前后關(guān)節(jié)系統(tǒng)；每個蛇形機器人關(guān)節(jié)的脊柱結(jié)構(gòu)內(nèi)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(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 電池局部結(jié)構(gòu)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(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)彎，并且在蛇形機器人運動過程中不影響電池結(jié)構(gòu)對外輸出電源。電池正負極之間采用彈簧結(jié)構(gòu)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(shè)計

蛇形機器人各關(guān)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(nèi)壁均由彈性材料構(gòu)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?nèi)萘侩姵?，電路原理如圖4所示。由于各個囊體中電解液隨關(guān)節(jié)的伸縮而發(fā)生增減，單個關(guān)節(jié)的電壓也會隨之變化，所以采用串聯(lián)形式，使各個關(guān)節(jié)的囊體電池構(gòu)成一個串聯(lián)電路，組成一個串聯(lián)電壓源，最后經(jīng)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(guān)節(jié)囊體電路組成

在蛇形機器人關(guān)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(guān)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(shè)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(guān)節(jié)內(nèi)脊柱可形成12 V額定電壓。蛇形機器人脊柱電池組結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 脊柱電池組連接結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)語

因驅(qū)動電源受到機器人結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)進行了改進設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)電源與機器人自身結(jié)構(gòu)的良好結(jié)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。