柳炳琦，任米鑫，鄭瑞，唐羽峰

（成都大學(xué)，四川 成都 610106）

0 引 言

蛇形機器人在無損檢測、軍事探測、醫(yī)療救護和航空航天等領(lǐng)域取得了長足的發(fā)展，在保障國家安全、推動經(jīng)濟發(fā)展和技術(shù)進步方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。蛇形機器人因具有體積小、自由度高、適應(yīng)性強等特征，適合應(yīng)用于復(fù)雜的工作環(huán)境中。

縱觀國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，蛇形機器人因具有在空間范圍內(nèi)運動的能力而成為研究熱點。許多學(xué)者研究的蛇形機器人存在三維空間運動能力弱的問題，導(dǎo)致蛇形機器人出現(xiàn)運動能力差、結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的情況。鑒于此，本文提出并設(shè)計一種新型蛇形機器人機構(gòu)，通過合理的機構(gòu)設(shè)計，減小了蛇形機器人結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，為系統(tǒng)后期的維護提供便利。通過仿真實驗充分驗證了該蛇形機器人機構(gòu)設(shè)計的合理性，達到了預(yù)期效果。

1 機構(gòu)系統(tǒng)方案設(shè)計

蛇形機器人的機械系統(tǒng)由蛇身關(guān)節(jié)、蛇頭關(guān)節(jié)和蛇尾關(guān)節(jié)組成。通過分析生物蛇的運動方式（蜿蜒運動、收縮運動、斜側(cè)運動等）和骨骼構(gòu)造，采用SolidWorks 三維設(shè)計軟件對蛇形機器人的整體機構(gòu)進行設(shè)計。要使蛇形機器人像生物蛇一樣具有豐富的運動步態(tài)，蛇身具有盡可能大的自由度是關(guān)鍵。蛇形機器人是基于摩擦的原理進行運動的，所以蛇身的長度決定了蛇形機器人運動的性質(zhì)，而要想蛇形機器人的長度能夠改變，蛇形機器人應(yīng)該具備可以更改長度的能力。所以選用可重構(gòu)式的結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)更加簡單和方便，控制起來也不復(fù)雜，蛇身的總長度由單節(jié)蛇身的長度和蛇身的節(jié)數(shù)共同決定，整體設(shè)計圖如圖1所示。

圖1 蛇形機器人整體設(shè)計圖

1.1 蛇身關(guān)節(jié)模塊設(shè)計

蛇身關(guān)節(jié)采用P-R 連接方式，這種連接方式具有高自由度與高可靠性，其原理為兩個相互正交的旋轉(zhuǎn)副之間可以相對轉(zhuǎn)動，從而產(chǎn)生一個球形空間范圍內(nèi)的移動。采用這種連接方式，在實現(xiàn)三維運動的同時可以減小蛇形機器人模塊的載荷，從而延長驅(qū)動模塊的使用壽命。P-R 連接方式的機構(gòu)簡圖如圖2所示，對蛇身關(guān)節(jié)上用于驅(qū)動的舵機的位置布置進行設(shè)計。

圖2 P-R 連接方式機構(gòu)簡圖

在建模之后，確定的單節(jié)蛇身結(jié)構(gòu)如圖3所示，當(dāng)蛇身重構(gòu)數(shù)量足夠多時，通過每節(jié)橫移舵機的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生各節(jié)蛇身之間的夾角，每一節(jié)的夾角相累加，就能得到總體的彎曲弧度，再通過橫移舵機的帶動產(chǎn)生蛇蜿蜒運動的效果；俯仰舵機主要是實現(xiàn)蛇形機器人高度抬升、關(guān)節(jié)俯仰變化的效果。在每節(jié)蛇身連接處采用電滑環(huán)的目的是解決蛇身旋轉(zhuǎn)繞線的問題。同時，電滑環(huán)與軸承轉(zhuǎn)盤的組合可以使蛇身的旋轉(zhuǎn)相對獨立，即每節(jié)的旋轉(zhuǎn)不會對其他節(jié)造成影響，這樣的設(shè)計可減少蛇身的翻轉(zhuǎn)舵機在翻轉(zhuǎn)過程中所受到的載荷，保證舵機的旋轉(zhuǎn)精度，使步態(tài)更加完整和精確。其次，若將舵機替換為電機，則能夠使蛇形機器人實現(xiàn)類似輪式運動的步態(tài)。當(dāng)蛇身呈“凹”字形伸展時，兩臂側(cè)的蛇身可以作為蛇形機器人的“輪”，通過兩節(jié)蛇身的轉(zhuǎn)動，帶動蛇形機器人運動。

圖3 蛇身關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖

1.2 蛇頭關(guān)節(jié)模塊設(shè)計

蛇頭關(guān)節(jié)模塊是蛇形機器人的關(guān)鍵所在，其承載了整個系統(tǒng)的核心部件（主控制板、攝像頭等），如圖4所示為蛇頭關(guān)節(jié)模塊設(shè)計圖。蛇頭的設(shè)計綜合考慮了與蛇身關(guān)節(jié)的高度連接，其中1 為蛇頭舵機連接件，2 為蛇頭面罩固定模塊，3 為蛇頭面罩，4 為控制蛇頭上下轉(zhuǎn)動的舵機。

圖4 蛇頭關(guān)節(jié)模塊設(shè)計圖

1.3 蛇尾關(guān)節(jié)模塊設(shè)計

蛇尾關(guān)節(jié)模塊承載著整個系統(tǒng)的傳感模塊（激光測距傳感器、溫濕度傳感器），其設(shè)計要點與蛇頭類似，如圖5所示為蛇尾關(guān)節(jié)模塊設(shè)計圖。蛇尾的設(shè)計也需要考慮與蛇身關(guān)節(jié)的高度連接。

圖5 蛇尾關(guān)節(jié)模塊設(shè)計圖

圖例：（1）蛇尾連接件；（2）控制蛇尾轉(zhuǎn)動的舵機；（3）蛇尾面罩；（4）測距激光傳感器；（5）鋰電池；（6）傳感器固定模塊；（7）溫濕度傳感器

2 蛇身關(guān)節(jié)有限元分析

對蛇身關(guān)節(jié)的受力處進行有限元分析，驗證結(jié)構(gòu)的有效性，蛇形機器人的關(guān)節(jié)在運動過程中主要受力的部件有兩個，分別是連接件與蛇身支架。連接件所受的力為俯仰方向與橫向移動的拉應(yīng)力，所以，按照最大拉應(yīng)力的零件危險處發(fā)生脆性斷裂破壞的條件是：

圖6 連接件應(yīng)力云圖

同樣，對蛇身支架進行有限元分析。蛇身機架所受到的載荷主要為相鄰連接件間的幾節(jié)蛇身橫向移動的切應(yīng)力。根據(jù)材料發(fā)生屈服破壞的條件為：

式（3）中，最大切應(yīng)力達到單向應(yīng)力狀態(tài)下的極限切應(yīng)力 ，每一節(jié)蛇身的總體重量約為500 克，舵機可以提供的扭矩為22 kg/cm，考慮到第5 節(jié)蛇身機架所受的橫向阻力為28 N，對第五節(jié)蛇身機架進行應(yīng)力應(yīng)變分析，分析結(jié)果如圖7所示。

圖7 蛇身機架應(yīng)力圖

通過對兩個主要受力部件 的分析可以得出，設(shè)計是完全合理的，能夠滿足正常工作所需的應(yīng)力要求，所以可以采用當(dāng)前的蛇形機器人結(jié)構(gòu)進行下一步的運動仿真。

3 蛇形機器人運動仿真

蛇形機器人的運動控制方式特別多，比較主流的控制方式有三種。第一種是近年來比較火熱的CPG 控制方式；第二種是通過反復(fù)實驗所得到的運動步態(tài)控制方式；第三種是基于Serpenoid 控制 函數(shù)進行控制，也是本文采用的控制方式。Serpenoid 控制函數(shù)是模仿蛇體真實運動的控制函數(shù)，由日本教授Hirose 通過長期觀察蛇類生物的運動而得來。結(jié)合本文設(shè)計的蛇身結(jié)構(gòu)，可得改進的角度函數(shù)為：

式（4）中，為蛇形機器人的關(guān)節(jié)個數(shù)1，2，3……，為蛇身轉(zhuǎn)動的頻率，φ為第節(jié)蛇身與第-1 節(jié)蛇身的夾角，為角度函數(shù)的初始相位，為系統(tǒng)的偏轉(zhuǎn)角為0 時蛇身轉(zhuǎn)角的幅值，為系統(tǒng)的偏轉(zhuǎn)角。

將=0，=0 代入式（4）進行初始位置計算，發(fā)現(xiàn)=0時舵機并不在初始位置，故對上式進行改進，改進后的公式如（5）所示，添加了一個影響因素，這里≥1。

運動仿真即是對所設(shè)計機械結(jié)構(gòu)運動能力的檢驗，利用專業(yè)的仿真軟件可以在模擬環(huán)境的狀態(tài)下分析機械結(jié)構(gòu)的運動能力，得到其運動參數(shù)，及時緩解結(jié)構(gòu)上所存在的一些阻礙運動的問題，減少研發(fā)產(chǎn)品的周期時長，縮減設(shè)計和生產(chǎn)成本。在運動仿真這一模塊中，采用的分析軟件是Adams，因為Adams 是可以進行虛擬樣機分析的應(yīng)用軟件，用戶可以使用該軟件對虛擬機械系統(tǒng)進行靜力學(xué)、運動學(xué)和動力 學(xué)分析。

將SolidWorks 中制作好的模型轉(zhuǎn)換為.x_t 格式并導(dǎo)入到Adams/View 中，設(shè)置好約束、運動副、接觸力以及驅(qū)動函數(shù)，運用如前所述的Ser penoid 控制函數(shù)實現(xiàn)運動控制，并對蜿蜒這一步態(tài)進行步態(tài)仿真。首先導(dǎo)入格式為.x_t 的裝配體；然后對裝配體的部件進行約束，如圖8所示；接著對運動副施加驅(qū)動力，再對運動進行仿真，得到仿真結(jié)果。

圖8 Adams 中對模型施加約束圖

圖9 蛇形機器人A=時的步態(tài)仿真

圖10 蛇形機 器人A=時的步態(tài) 仿真

蛇形機器人的蜿蜒運動類似于弦波函數(shù)的圖像，各節(jié)蛇身之間的夾角 越大，蛇形機器人的蜿蜒步態(tài)曲率也會隨之增大，就會出現(xiàn)類似弦波函數(shù)圖像的波峰與波谷的步態(tài)。要保證蛇身有一定的蜿蜒運動曲率，但又不能過大，蛇身才能更好地利用蜿蜒運動產(chǎn)生的摩擦力進行平移，所以合理確定蛇形機器人的蜿蜒曲率是保證蛇形機器人更好運動的前提。

通過運動仿真可以看出蛇形機器人的蜿蜒運動曲率較為明顯，在保證其他參數(shù)不變的情況下，參數(shù)的值越大，蛇形機器人的擺動幅度越小。所以，蛇形機器人的結(jié)構(gòu)能夠支撐其進行各種相應(yīng)的運動，設(shè)計方案比較合理。

4 結(jié) 論

本文論述了采用多自由度與高穩(wěn)定性P-R 連接方式蛇身機構(gòu)的可行性，電滑環(huán)和軸承轉(zhuǎn)盤的組合結(jié)構(gòu)取代了傳統(tǒng)的蛇 身舵機之間的直連方式，更能適應(yīng)多變的環(huán)境。基于Serpenoid 控制函數(shù)控制蛇形機器人的蜿蜒步態(tài)，通過對所設(shè)計結(jié)構(gòu)的有限元分析驗證了本模型的合理性，通過Adams 運動分析驗證了蛇形機器人模型的可行性。該結(jié)構(gòu)具有組成簡單、抗干擾能力強、控制方便、研發(fā)成本低等優(yōu)點，為野外探測、軍事偵察等活動提供了極大的便利。