仿蛇形机器人蠕动机构的设计【含CAD图纸、PROE三维】
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含CAD图纸、PROE三维
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本科毕业设计说明书（论文） 第 42 页 共 42 页 1 引言机器人的诞生和发展与科学技术革命有着密切的关系，符合科技革命关于生产实践需要的理论。机器人作为一种高技术，也是不断发展和完善的，这种不断的发展和完善是通过科技革命的内在推动力来实现的。同时，机器人的发展和广泛应用，使科学技术成为显见的生产力，极大地推动着科学技术的发展，推动着人民生活的改善，推动着生产力的提高，推动着整个社会的进步。机器人技术作为当今科学技术发展的前沿学科，将成为未来社会生产和生活中不可缺少的角色。机器人，英语为ROBOT，意思是一种干脏活的人形机器。它体现了人类长期以来的一种愿望，即创造一种像人一样的智能机器，以便能够代替人去进行各种各样的工作。机器人虽然是一个新造词，但关于机器人这一思想的渊源，却可以追溯到遥远的古代。早在我国西周时期，就有能工巧匠侣师制作了一个歌舞“机器人”献给周穆王；公元前3世纪，古希腊发明家戴达罗斯用青铜为可里特岛国王迈诺斯塑造了一个守卫宝岛的青铜卫士塔罗斯；我国东汉时期，张衡发明了用于军事的指南车，可以说它是最早的移动机器人雏形1。 随着科技的发展，18世纪出现了以蒸汽机发明为标志的第一次技术革命，这引起了古代机器人技术的进步。1893年More制造了“蒸汽人”，它的腰由杆件支撑，靠蒸汽驱动双腿沿圆周运动。以上这些自动玩具或自动作业机的出现均是以当时的科学和技术为基础。用现代的眼光来看，它们的功能是单一的，实现方法是落后的，但它们却代表了当时的最高科技水平1。20世纪，人类取得了辉煌的成就，从量子力学、相对论的创立，原子能的应用，脱氧核糖核酸双螺旋结构的发现，到信息技术的腾飞，人类基因工作草图的绘就，世界科学发生了深刻的变革。信息技术、生物技术、新材料技术、先进制造技术、海洋技术、航空航天技术等都取得了重大突破。此时，科学技术化，技术科学化，科学技术密不可分，出现了人类历史上第一次科学与技术的综合性革命现代科技革命圆。 现代机器人是电子工程学、机械学、控制论与控制工程学、计算机科学与工程、人类学、社会学、人工智能、生物学等多学科的集成，所以它是多学科科技革命的必然结果。 当时电子计算机已经出现，电子技术也有了长足的发展，产业领域出现了受计算机控制的可编程的数控机床，与机器人相关的控制技术和零部件加工有了扎实的基础。另一方面，人类需要开发自动机械，代替人去从事一些恶劣环境下的工作，比如在原子能的研究过程中，由于存在大量放射性，要求用某种操作机械代替人来处理放射性物质。正是在这一背景下，美国原子能委员会的阿尔贡研究所于1947年开发了一种遥控机械手代替人，1948年又开发了主从机械手。1954年美国人乔治?德沃尔设计出了第一台可编程(示教再现型)的工业机器人，在此基础上，创建了Un5m此on公司，并于1962年生产出来，取名为Unimate。此机器人在美国通用汽车公司(CM)投入使用，这标志着第一代机器人的诞生。从此，机器人开始成为社会系统中的一员，影响着社会的发展、科技的进步。从20世纪60年代初，美国生产出最初的工业机器人，到20世纪80年代初，机器人技术经历了一个长期缓慢的发展过程。到了20世纪90年代，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机器人技术也得到了飞速发展。除了工业机器人水平不断提高之外，各种用于非制造业的先进机器人系统也有了长足的进展。现将按工业机器人、特种机器人两条技术发展路线分述机器人的发展进程。从机器人的发展进程可以看出，随着计算机技术、人工智能技术、信息技术等的飞速发展，使机器人在功能和技术层次上有了很大的提高，机器人的视觉、触觉、自主控制等技术就是典型的代表。由于这些技术的发展，推动了机器人概念的延伸。20世纪80年代，将具有感觉、思考、决策和动作能力的系统称为智能机器人，这是一个概括的、含义广泛的概念。这一概念不但指导了机器人技术的研究和应用，而且又赋予了机器人技术向深广发展的巨大空间，水下机器人、空间机器人、空中机器人、地面机器人、微小型机器人等各种用途的机器人相继问世，许多梦想成为了现实。将机器人的单元技术渗透到社会的各个领域形成了各式各样的新机器机器人化机器。当前与信息技术的交互和融合产生了“软件机器人”、“网络机器人”；与纳米技术、分子生物学的交叉和融合又产生了“纳米机器人”；今后也许与克隆技术的结合将会产生“克隆机器人”问。这说明了机器人所具有的创新活力，也说明了客观世界是一个相互作用，相互联系的统一世界。任何一门学科都是对客观世界某一方面或某种运动形式的本质和规律的正确反映，客观世界普遍联系的特征也必然会在各门学科的思想、理论体系中反映出来，同时也决定了各门学科之间的相互联系、相互依赖和相互作用的关系，决定了它们是一个有机联系的科学整体。机器人融合了计算机、信息、自动控制、机械、仿生等技术，从而使机器人技术的发展与其它学科的技术发展极为密切。纵观机器人的发展史，我们可以发现机器人是随着其它学科的兴旺发达而呈现出勃勃生机的。在本文中将介绍和研究仿生机器人的一种蛇形机器人。11 仿蛇形机器人的原理及研究热点机器入学本身就是一个多学科交叉的学科，她需要多方面知识的融合。蛇形机器人作为机器人系统，也需要机构、控制、电子、通讯和智能等各个方面的支撑。本文粗略地将蛇形机器人的主要研究内容分为如下几个方面：蛇的运动原理研究：蛇的运动形式独特，运动姿态复杂。很多学者已经对蛇的运动原理和运动形式做了研究，但绝大部分是从生物角度出发的。近些年随着仿生机器人的发展，机器入学者开始从机器人运动角度来研究蛇的运动原理，这是设计蛇形机器人的前提。蛇形机器人机构：机构设计是蛇形机器人研究的核心和基础。在机构设计阶段，必须综合考虑蛇形机器人的控制方式、电路情况、通讯方式和电源情况。如果要加传感器，必须考虑传感器的信息融合。根据蛇的骨骼结构，目前蛇形机器人的单元大多采用模块化设计，模块化设计节约设计和生产成本，方便维修。如果采用精巧的连接机构和连接电路，蛇形机器人就成为可重构机器人的一种构形状态。蛇形机器人运动形式和运动原理：这方面的研究主要有两个出发点，一个是根据自然蛇的运动状态，研究和提出适合蛇形机器人的运动形式。另一个是根据本身的机械系统建立蛇形机器人的物理模型，提出控制规律，研究蛇形机器人的运动原理。蛇形机器人的控制方法：蛇形机器人具有超多的自由度，对蛇形机器人的控制无论在硬件上还是软件上都是一种挑战。现在，与机构相对应，蛇形机器人的控制一般也采用模块化的设计理念。每个模块化单元都包括控制（软件和硬件）单元。蛇形机器人的环境识别：蛇形机器人要达到应用的目的，必须具有高度的适应性、运动能力。环境是影响蛇形机器人运动的重要因素，同一种运动方式在不同的环境中的运动效果截然不同。例如：在光滑地面上的和粗糙地面上的蜿蜒运动效果相差甚远，尤其是在沙滩上蜿蜒运动简直不能前进。所以必须选择合适的一个或一组传感器来识别环境信息。蛇形机器人的智能控制：完成从上层的自主决策到下层的运动控制，使蛇形机器人成为真正意义上的智能机器人，是研究蛇形机器人的最终目标。12 仿蛇形机器人的研究意义传统的比较早的移动方式大多基于连续转动原理，靠轮子与地面作用实现运动；它的运动效率比较高，它对地面环境要求比较严格，比较适于平坦而质地比较硬的路况；为了增加地面的适应能力，后来出现了履带式，但它还不能充分体现运动的灵活性；这就促进了人们寻找新的运动模式。随着仿生学的发展，人们把目光瞄向了生物界；较早出现的步行机器人是四足的，后来又陆续出现了两足的、六足以及多足机器人，步行机器人在一定程度上提高机器人的地面适应能力，但美中不足，它的稳定性及在松软地面的适应性比较差；于是在21世纪40年代人们又把目光转向了蛇，开始思索一种新的运动模式“无肢运动”1。大多数己知生物和运输工具在运动时有一个共性：他们与地面的接触点是变化的；比如人是靠两腿的交替变化行走的；车子是靠车轮在地面上滚动，不停地改变接触点行走的。然而蛇在行进过程中，它的整个身体与地面接触，它与地面的接触点是不变的。从这一点上讲，蛇是一种特例。从运动效率上讲，滚动高于移动，两足高于四足，也就是说随着运动物体与支持面的接触点的增多，它的运动效率也相应的降低，因此蛇的运动效率较其他有肢动物来说，比较低，但从另一角度讲，随着接触点得增多，它对地面得适应能力增强，汽车只能在平坦硬质的地面上行驶，两足的稳定性比较差而且对地面的要求也比四足高，因此蛇适应能力是最强的，它不但可以在崎岖的山路上行走如飞，而且可以在沙漠沼泽地上蜿蜒前进。作为有肢运动和无肢运动的完美结合，当属履带式，虽然其接触面大了，却提高了对松软地面的适应能力，但其仍可简化为两杆系统，相对于蛇这种多杆系统来说，身体柔性明显减弱，不能使用于崎岖不平的山区。按生物进化的观点，任何生命都有存在的理由，都有对其生存环境的适应性，这是千百年来自然选择的产物。在移动机器人领域，也不可能制造一种万能机械，只能根据环境的要求，提出相应的设计方案；任何事物都是有利必有弊，不可能两者兼得，关键是看我们追求的重点。假如追求高效率，那么轮式的是首选；假如追求在非结构化环境的适应性，而对效率要求不高，多杆系统（蛇形机器人）为最佳。13 蛇形机器人的优缺点和用途虽然蛇形机器人已经表现出了良好的运动能力和适应环境的能力，但是与其它一切事物一样，蛇形机器人也不是十全十美的尤物，它具有很多优点，当然也存在很多不足。因此，蛇形机器人的应用环境和场合也受到一定的限制。1.3.1 蛇形机器人的优点模仿蛇的身体结构制作的蛇形机器人，不仅具有机构简单的特点，而且调整超冗余的身体使其能够适应环境。蛇形机器人具有蛇的运动特点能够完成以下功能：1)蛇形机器人的超多自由度使其身体具有柔软的特性，能够充分适应地形，完成在粗糙不平地面上的爬行动作。2)蛇形机器人能够将体重平均分配到支撑面上，使其能够在沼泽或者沙地上爬行。这一特性使蛇形机器人能够在强度比较低的平面上运动，例如：地震过后的楼房地板，对抢险救灾的应用十分有利。3)蛇形机器人具有细而长的体形，通过运动学的规划，它能够跨越窄沟和穿过细小的空隙，这是轮式或者腿式移动机器人很难完成的任务。4)将蛇形机器人的一端固定，它可以作为超冗余机械手完成各种复杂的抓取动作。而且其本身的自由度就可以作为操作臂的夹持器来夹持物体，不用象传统工业机器人那样配备相应的夹持器。可以说，蛇形机器人在功能上是个多面手。5) 一般，蛇形机器人采用模块化设计，每个模块都相同，方便安装和维修。特别值得一提的是，近几年来可重构模块化机器人的研究也是机器人研究的一个重要和热点领域。蛇形机器人可以作为可重构模块化机器人的一个基本体。如果在模块上设计合适的连接和断开机构，蛇形机器人就可以变形成各种形式或组成新的机器人，还可以分开成几条蛇形机器人，完成协同作业。也可以随时甩掉自身的一个或几个模块，甩掉无法工作的模块有利于机器人的运动。如果在每个模块上安装特定的传感器，蛇形机器人可以通过在指定位置甩掉模块的办法来布置传感器1。6)蛇形机器人具有超多的自由度，当机器人的某个或某几个单元不能正常工作时，它仍然能够完成指定任务。因此蛇形机器人具有高度的可靠性和安全性。7)蛇形机器人在完成运动时，所有关节都不需要外露。如果在机器人的外面加上防水或防腐材料使机器人密封，它能够进入有各种泄漏的危险场台作业。也可以像蛇一样在液体环境中游泳，成为水陆两栖机器人，大大扩展了该类机器人的应用范围。8)通常情况下，在运动过程中蛇形机器人的细长而柔软的身体始终接触地面而保持最低的身体重心，使其具有高度的稳定性。而在传统的移动机器人中稳定性是个十分重要而棘手的问题。特别是在腿式移动机器人和轮式移动机器人上，稳定性成为机器人运动控制的核心问题。而在蛇形机器人上，通常不必过分关注蛇形机器人的稳定性，除非执行比较特殊的操作动作。此外，蛇形机器人作为一种超冗余串联机构，通过巧妙规划和设计该机构的构形也可以实现运动，面这些运动形式并不是来源于蛇的运动。当机构中加入被动轮约束的时候，蛇形机器人可以完成在非完整约束情况下的运动控制，从而实现基于物理系统模型条件下的蛇形机器人运动控制，而不是从仿生角度下的运动输入形式。从理论角度解释了蛇的运动或蛇形机器人的运动原理。1.3.2 蛇形机器人的缺点蛇形机器人的优点众多，但由于身体结构、动力驱动和运动形式的原因，蛇形机器人也存在很多缺点。1)蛇形机器人的超多的自由度使机器人能够完成各种复杂运动，组成各种构形。但在控制上，给完成超多自由度的软硬件控制的实现带来了巨大的压力。而且太多的自由度给驱动单元运动的驱动器带来巨大的压力。实验表明，蛇形机器人完成三维运动需要单元具有很强的驱动能力；随着自由度数量的增加，对单元驱动能力的要求也增加。即使巧妙设计蛇形机器人机构，解决效果也是很有限的。2)蛇形机器人本身的串联结构和爬行的特点使其无法完成携带物体操作的任务。因为依靠与地面间的摩擦实现运动，它的驱动能力十分有限，根本无法完成拖动物体等负重任务，所以蛇形机器人执行的任务只能限制在去观察、检查现场和完成操作任务。3)在电源供应方面，由于外露面积小，无法有效利用太阳能。目前还无法有效解决宇宙探索中的能量供给问题。即使采用直流电源供电，由于本身的体积较小和爬行运动的运动形式，蛇形机器人无法携带大的电源，严重限制了蛇形机器人的应用和无线操作时间。4)在理想条件下，蛇的最大速度为3m/s，而通常情况下，蛇的运动速度很低。目前就作者所知，蛇形机器人的运动速度都很低，很难与传统的轮式移动机器人相比。1.3.3 蛇形机器人的应用相对于传统的移动机器人，蛇形机器人具有很多优点，能够应用到很多复杂和危险的环境中。虽然目前蛇形机器人的研究尚处在实验阶段，但蛇形机器人有广泛的应用前景。蛇形机器人可以应用到但不仅仅局限在以下各领域：1)科学探险和状况检查：代替或部分代替人去完成危险环境中的作业是研制机器人的主要目的之一。科学探险是科学家探索大自然奥秘和丰富地质资源的有利手段，但常常因为环境和气候恶劣，无法到达目的地完成指定的探险任务。非结构环境下的作业和运动对机器人的性能和运动形式提出了非常严格的要求。蛇形机器人本身的移动特点和封闭结构有利于应用到科学探险和状况检查。2)防恐防爆和灾难救援：自美国纽约的911事件之后，防恐防爆成为各个国家维护国家安全和人民生命财产不受侵害的主题。机器人学的研究人员制作了形式各异的机器人来代替人去完成防恐防爆和救援伤员的任务。蛇形机器人也适合于完成灾难救援任务。特别是蛇形机器人身体的各个部分都与地面接触，对地面的压力均匀而且非常小，适合在灾难后的危险建筑中运动和搜救。这些灾难主要包括：地震、爆炸、地质陷落、龙卷风和火灾等等。3)医疗：设计小型的移动机器人，进入人体器官（如肠道、血管）完成手术和定点给药是机器人研究的一个新的热门领域。如果将蛇形机器人做得非常小，就可以进入人体的肠道完成作业。4)航空航天：神州五号飞船的顺利返航证明了中国在航空航天方面坚实的科学实力。探月工程的启动表明中国政府探索外星系的决心和信心。正像美国的勇气号和机遇号机器人在火星上执行作业一样，探月工程也需要机器人来完成各种作业。蛇形机器人有望在这方面得到应用。5)危险环境作业：能够用身体移动和操作是蛇形机器人有别于其它移动机器人的一大特性。它可以穿越狭小空间、进入危险环境，然后完成操作任务。安装合适的传感器后，也可以应用蛇形机器人来完成排雷任务。6)军事：蛇形机器人本身体形细小，加上合适的伪装后，便于隐身。此外，如果蛇形机器人的每个单元都安装上传感器，那么它可以用甩掉关节的办法来布置传感器，形成一个大型的信息系统。7)作为操作手：将蛇形机器人的一端固定，那么它就变成一个具有冗余自由度的操作手，可以完成复杂的抓取动作。114 课题主要研究内容1、对微小型移动机器人行走方式和生物蠕动的运动机理进行一定的研究，设计仿蛇形机器人可行的运动方案。2、在机械CAD环境下进行机器人蜿蜒爬行和转向运动的仿真，进行参数化设计。3、利用CAD设计软件对仿蛇形机器人蠕动机构进行结构设计，并绘制零件图装配图。4、对仿蛇形机器人的运动进行控制研究，设计基于单片机的控制系统。2 蛇形机器人的机构设计21 蠕动原理我们将蛇形机器人简化成一系列杆件按一定顺序用转动副首尾连接而成79，如图2-1所示。图2-1蛇形机器人运动前初始状态其中1，2，3，N代表了转动副和对应的驱动电机。依靠地面对蛇身体的摩擦力，我们可以利用电机驱动转动副1，2，3，N依次转动，使部分蛇身与地面构成一个三角形，如图2-2所示图2-2三角形的形成假设l01与地面间的夹角为，则现在的0点距离初始点就向前移动了 StepL=2l(1-cos),只要继续将波形向前移动如图2-3所示图2-3三角形波的移动当蛇的每个身段再次回到一直线的位置时，整个蛇就向前移动了距离StepL。22 蠕动步态规划蠕动是蛇形机器人部分蛇体与地面保持静止，另一部分凭借静止部分与地面间形成的静摩擦力实现的向前运动；根据蛇形机器人关节轴与地面间的关系，可以将蠕动分为关节轴与地面垂直的蠕动和关节轴与地面平行的蠕动。关节轴与地面垂直的蠕动是蛇形机器人整个蛇体与地面接触，此时运动部分与地面间不可避免的产生摩擦，而对于关节轴与地面平行的蠕动，沿地面行进时，因为运动部分脱离地面不与地面接触，运动部分与地面之间就不存在摩擦，因此它是一种比较节能的运动步态。本章讨论的重点就是关于关节轴与地面平行的蠕动步态。Chirikjian曾从仿生学的角度用脊梁曲线模型法对该运动步态进行研究，但作者并没有提出一种可用于实际的蛇形机器人的运动步态；Hua liu等虽用三个运动杆组成的波形实现了蛇形机器人在平面上的运动，但其控制效果并不理想。本文的目的就是对蛇形机器人的蠕动步态进行系统理论的分析，给出合理的蠕动步态。蛇形机器人的蠕动过程归根结底就是运动杆依次传递的过程，抓住了运动杆的运动规律就抓住了问题的实质。本文就是以运动杆组成的运动波形为线索展开，相对由多运动杆组成的运动波形来说，运动波形由三连杆组成的蠕动步态有解析解1，在此作为独立的章节进行讨论。虽对运动波形由三连杆组成的蠕动步态进行过探讨，但侧重点在于电机的控制，并没有全面系统地对该步态进的运动机理行分析。2.2.1 蠕动步态描述下面我们介绍一下运动波形由三连杆组成的蛇形机器人的蠕动过程；首先将机器蛇简化为N节长度为L的平面连杆系统。初始状态时蛇形机器人为一条直线，如图2-4 a所示，运动开始时，图2-4 运动波形由三连杆组成的蠕动过程P0Pl和P1P2运动，点P沿着X轴前进，其他点pi(i2)固定不动；与此同时，杆件P0Pl与X轴之间的夹角a（见图2-4中的b)从00到达给定的角度0当该阶段结束时，杆P0P1与X轴之间 的夹角为0（见图2-4中阶段c）。此时除了P1点外，其他点均位于X轴上。下一阶段，POP1、P1P2和P2P3为动杆，点P0和Pi(i3)均保持不动，夹角a从a0变为00与此同时P2P3与x轴的夹角从00变为a0（见图2-4中d）；当这一阶段结束时，系统处于状态e；P1P2、P2P3与X轴之间成等腰三角形，除了点P2外，其他点均位于X轴上。重复这个过程，直到蛇形机器人到达状态f，最后恢复到直线状态g。在一个运动周期内，整个系统沿X轴的位移StepL相当于点P0从状态a到状态b的位移。设每一节长为l，有StepL=2l(1- cos0) （2-1）2.2.2 由三连杆组成的蠕动步态波形传递模型从图2-4中可知，在波形传递阶段12，动点为Pi和Pi+1（1iN-1），其他点静止不动，比如运动波形从状态c到状态e只有点P1和P2在动。 因此可以将Pi-1Pi、PiPi+1、Pi+1Pi+2和Pi-1Pi+2简化成如图2-5所示的四连杆机构。在波形转换过程中Pi1和Pi+2之间的距离d不变，即d =l+ 2lcoso。图中i、表示组成运动波形的连杆与水平地面的夹角，i表示相邻连杆间的夹角，顺时针为负，逆时针为正。图2-5 四连杆运动模型根据图2-5所示的四边形Pi-1PiPi+1Pi+2，我们可得如下矢量关系lei1 + lei2 = d + lei4 (2-2)将其在x,y轴上分解得 (2-3)消去2后得：E cos2+F sin2+G=0 (2-4)将下cos半角变换公式代入式(2-4)，得关于tg(2/2)的一元二次方程式，由此解出 (2-5)式中N为符号系数，当Pi+1 Pi-1Pi三顶点的顺序为逆时针方向，N=-1；顺时针方向N=1；这是按右手直角坐标系制定的，如为左手直角坐标系，则判别N符号的规则与上述相反。将公式(2-5)代入(2-3)可求出 (2-6)式中 F=2l2sin1=2l2sin1 G=l2+d2-2ldcos1=l2+d2-2ldcos1 2.2.3 波形传递阶段相邻连杆间相对角位移i及其角速度分析1各连杆间的角位移分析假如已知连杆Pi+1Pi+2的转角1与其角速度，那么运动波形上各连杆间的相对转角可用1来表示。由图2-5可得1=12=2-13=-(-4+2) (2-7)4=-4图2-6 2，3，4和1之间的关系图1图2-7 和之间的比例关系图1图2-6 给出了当0=600时，波形传递过程中，相邻连杆间的角位移2、3、4和1之间的关系（图中）；左侧是角位移1从00增加到最大值时，运动波形上其他连杆的角位移变化曲线，可见连杆PiPi+1与Pi+1Pi+2间的相对角2变化幅度最大。右侧是角位移1从最大值恢复到00的过程中，其他连杆间的相对转角的变化曲线，在恢复过程各个连杆间的角度变化比较平稳1。2角速度分析将式(2-2)对时间取导数，化简得 (2-8)将式3-8）中各项乘以e-i2，然后取其实部，消去，得 (2-9)同理可得： (2-10) 结合(2-7)式，可求出运动波形上各连杆间的夹角的角速度间的关系= r1=/=1=- r2=/=-1+sin(1-2)/sin(4-sin2) =- r3=/=(sin(1-2)-sin(1-4)/sin(4-2) (2-11)=- r4=/=-sin(1-2)/sin(4-2)图2-7给出2、3、4和5之间的角速度比例关系。从图中可以看出，运动波形由三连杆组成的蠕动步态，在波形传递过程中，尤其是1处于700，750 (n=600)区间内，相对角1的角速度相差很大12。2.2.4 小结虽然用运动波形由三连杆组成的蠕动步态有解析解，但从其波形转换分析图(2-6)和(2-7)可以看出，此运动步态存在如下的问题：1关节角的活动范围比较大（当初始角0=600时，2-1200,600）。2关节之间的速度比较大（当0=600，1在700，750之间，速比发生突变）；因蛇形机器人的各个模块都是相同的，因此各个关节的调速范围也是一样的；速比越大，调速范围越大，因此对驱动电机的要求也就越高。3关节之间的速度比太大，容易使组成运动波形的部分关节速度变化过快，容易产生过大的惯性力，从而造成电机失步，不利于电机的控制.因此从控制的角度和设计的角度来说，这种运动波形由三连杆组成的蠕动步态并不是最理想步态。2.3 机构简图其中直线代表蛇形机器人的一个关节，圆圈代表电机。奇数号电机实现蜿蜒运动，偶数号电机实现起伏蠕动。在起伏运动时，奇数电机保持不动，即电机1，2所在杆件构成一个整体，电机3，4所在杆件构成一整体3 蛇形机器人步行机构的结构设计31 蛇形机器人运动部件设计根据自然界蛇的体形，结合本课题要求实现的功能，兼顾美观，合理，设计蛇形机器人的关节外形如下图3-1所示每个蛇形机器人的组成单元由两个小关节组成，其中轴线水平的转动副成称为水平关节，可实现匍匐运动；轴线在铅锤方向的转动副称为垂直关节，可实现拐弯运动。图3-1蛇形机器人关节的三维示意图为了进一步细化外型尺寸计算过程，我们将步态进一步细化。我们将蜿蜒电机忽略如图3-2。图3-2 细化的步态规划我们根据各个关节在相邻两状态间角度的变化，整理制作了如下表格3-1，并规定Pi-1PiPi+1以lPi-1Pi为参考，正时针方向变化为正，逆时针方向变化为负。得到表格如下表3-1 每周期各相邻步态间各关节所称角度的变化步态号角度变化步态1步态2步态3步态4步态5步态6步态7步态80-600-160+76000000000001+120-160-1640-160+7600000002-600+600+1200-160-1640-160+76000300-290-310+600+1200-160-1640+6004000000-290-310+600+1200-120050000000000-290-310+600由于在蛇头与地面，蛇尾与地面间没有直流伺服电机，所以05不予考虑。又由于每一个步态可以在同一时间内完成，每一步态所用时间由完成角度变化时间最长的电机决定所以除去05后对每一步态取角度变化绝对值最大值，取和，所得值与时间成正比。 （3-1）初步选择采用直流伺服电机F130，转速为n=300r/min (3-2)所以每个周期最短时间为T，则 (3-3)因此，蛇形机器人的蠕动频率为 (3-4)可见蛇形机器人在单位时间内行走的距离为S (3-5)计算可得 (3-6)由于蛇形机器人的每个单元由两个关节组成，那么每个关节的长度为7.6cm。下面具体计算关节的外型尺寸。为了计算方便，我们将蛇形机器人每个单元的每个关节作如下简化，简化结果如图3-3所示图3-3 蛇形机器人每个部分关节简图及极限位置夹角取每个关节的外伸端长20mm，取极限夹角为900，则蛇身最宽处宽40mm。具体关节外观如图3-4所示图3-4蛇形机器人关节图关节采用铝材，后部三角形孔用于传递水平关节上电机输出的扭矩，运用形锁合的方法与传递扭矩轴套配合（图3-5），通过内外形的配合来传递动力。轴套内部与方形截面轴（图3-6）配合，外部与关节壳体孔配合，将轴传递的扭矩传递到关节壳体，使关节与关节间产生相对运动。运动件与固定件之间用定位轴套定位，定位轴套（图3-7）内部与方形截面轴配合，外部与关节壳体的圆孔配合，形成滑动轴承。此设计的特点是结构紧凑，体积小巧，传递可靠。关节壳体内部设计电机安装腔，同样采用与电机外型相配合的内孔与电机外壳配合来定位电机在蛇形机器人内部的相对位置。电机固定采用固定扣带，结构如图3-8所示图3-5 动力传递轴套8图3-6 方形截面轴图3-7 定位轴套图3-8 电机固定扣带结构图电机固定扣带采用塑胶材质，与蛇形机器人的电机盒采用形变预紧，将电机可靠地定位在电机盒内。扣带具有拆装方便，定位可靠的，结构简单等特点。由于在设计第二个关节时，存在重力作用点不通过形心的情况，如图3-9。图3-9 蛇形机器人组成单元存在偏心情况为了使整个蛇形机器人整体不存在偏心问题，提高蛇形机器人的运动稳定性，将具有偏心问题的关节在组装时注意偏心位置，交替组装，尽量消除蛇形机器人整体的偏心情况（图3-10）。图3-10 调整后的装配图32 驱动装置设计3.2.1 驱动方式选择随着MEMS技术的迅速发展，能够进入狭窄空间工作的微型机器人已经成为国内外的研究热点。微型机器人具有体积小，相应速度快，能耗低等特点，在生物医学，航空航天，军事，工业生产，水下作业，极端危险场合具有广泛应用前景。驱动方式大致可分为有缆驱动和无缆驱动。1 有缆驱动有缆驱动技术的优点是能量供应方便而充足，但对于应用在细小管道和狭小空间等特殊环境下的微型机器人，如果采用有线方式功能，会使得微型机器人的运动灵活性，移动距离和行走路线受到限制。1）微伺服电机驱动新西兰的坎特伯雷大学以竹节虫为生物模拟对象，研制成功了一种微型伺服电机驱动的Hamlet仿昆虫六足步行机器人。该六足机器人共有6条三关节的步行足，单个关节由一台功率为10W的电机驱动，通过齿轮箱减速输出4Nm的扭矩。微电机驱动可满足微型机器人自主性要求，承载力大，可靠性，适应性强，但由于系统复杂，不利于机器人进一步微型化。2）压电陶瓷驱动日本Fukuda等人利用压电陶瓷（PZT）作驱动器研制了一种具有2自由度的双鳍微机器人。该机器人具有两条腿，每条腿上带有双鳍，双鳍之间具有一定的角度；在不同的驱动频率下，每条腿能产生向前或向后的运动；当调节驱动频率驱动两条腿的运动方向相反并产生不同的推力时，可实现微机器人的转弯。3）高分子材料驱动日本的Kagawa大学的郭书祥等人研制出一种利用电致动作原理的ICPF高分子聚合物材料作为驱动器的水下多自由度微型机器人。该机器人由ICPF高分子聚合物材料组成三条步行足和两条尾鳍，在ICPF驱动下，当三条步行足协条摆动使机器人在水下自由移动，两条尾鳍的摆动下使机器人移动更迅速，利用ICPF产生气泡的特性使机器人遇到障碍时可以迅速上浮，从而达到避障的目的。ICPF驱动具有柔韧性好，驱动电压低，相应快，可以在水下作业等优点。韩国利用一种新型智能材料人工肌肉（IPMC）研制了一个简单的八足爬行机器人。机器人的八条腿是由IPMC执行机构构成的。IPMC具有在较低的电压下能产生大变形，低密度，有弹性而且可以任意切割的优点，但其产生的驱动力较低。4）气压驱动意大利的Mitech实验室P.Dario等研制了一种采用压缩空气驱动的微型机器人。它是仿照蚯蚓滑行蠕动的原理，通过两个夹钳和一个伸缩执行器在气压分配器的控制下实现在肠道中的蠕动。夹钳在驱动体的两端，充气时会鼓起起到加持作用。伸缩执行器在充气时伸长，产生推力驱使机器人滑行。气压驱动方式控制可靠，适应性强，柔性好，不易损伤操作对象。2 无缆驱动1）太阳能驱动加州大学伯克利分校Richard Yeh 等研制了一种由太阳能功能的微型蚂蚁。它集成了微传感器，执行器，低功率微型CMOS控制电路，太阳能电池，用关节刚性连接的两自由度腿由静电微马达驱动。静电微马达由CMOS电路控制和太阳能电池提供能量。太阳能电池的功率密度约为10Mw/cm2,可以满足静电驱动马达驱动的需要。2）外磁场驱动日本九州工业大学Honda等人研制了外磁场驱动的管内泳动微机器人。它由钕铁硼（NdFeB）磁柱体和黏在磁柱上的聚酞亚胺薄膜构成。当外加激励磁场（磁场方向沿管轴方向）时，小磁柱就会在垂直磁场方向上下摆动，且带动弹性薄板振动，从而使得微机器人沿着轴向方向泳动。大连理工大学张永顺等人研制了超磁致伸缩薄膜驱动仿生游动微机器人。随着外部磁场的变化，超磁致伸缩器的薄膜不断变形而使薄膜产生弯曲，从而使薄膜不停的摆动，能够在液体中像鱼类一样推动微型机器人的运动。3）热驱动韩国Young Pyo Lee等人根据蚯蚓爬行原理，研制了由对热敏感的形态记忆合金（SMA）驱动的微型机器人。它前后部各有一个微小的针，集成的控制器和电池，中部是由硅树脂风箱，SMA弹簧组成的双向线性执行器。在起始状态，前面的针卡住接触面，当SMA弹簧受热缩短时，后部向前滑行：当SMA弹簧冷却后，硅树脂风箱使得SMA弹簧延长；同时后面的针卡住接触面，前部向前滑行。SMA驱动具有结构简单，控制精确，功重比大等优点，但SMA的冷却速度制约了微型机器人的运动速度。3.2.2 电机选择从上面的材料和讨论可以看出，各种微型驱动器都有自己的优点和缺点，结合本课题的实际情况，采用的是微型直流电机F130。电动机参数如下表3-1表3-2 电机型号及参数电机型号额定电压额定功率空转转速F1303V3W300r/min最大连续转矩外型尺寸重量32mNm20.12515.117g电机外形如图3-11。图 3-11 电机外形图3.2.3 传动装置设计蛇形机器人的驱动装置为一对齿轮和轴，加上形锁传动装置。由于蛇形机器人的总体尺寸较小选取模数,取。在蛇形机器人中，采用一对齿数相同的齿轮传动，由于电机的主轴与传动轴不在同一轴线上，因此考虑采用锥齿轮。根据选取的模数，齿数，可以得到锥齿轮分度圆直径 (3-7)取齿顶高系数，顶隙系数,可根据式（3-8）得到齿顶高 (3-8)齿根高 (3-9)齿顶圆直径(3-10)齿根圆直径 (3-11)传动轴的校核，根据扭矩的强度来计算。从上面我们知道传动装置传递的扭矩约为,由公式 （3-12）其中d为轴的直径，单位 mm；T为传递的扭矩，Nmm;P为传递的额定功率，单位Kw;N为轴的转速,单位r/minY为轴所用材料的许用应力，单位Mpa;A0为系数。可得=mm （3-13）材料选取45#钢，查表可得A0为110，代入（3-13）得到取直径已经满足强度要求。通过上述计算，我们已经知道了传动装置的具体尺寸。4 控制系统的总体结构41 单片机控制方案一，采用一层控制系统的单片机控制。解决控制的重点就是如何解决好一种多电机的运动控制的系统。每一块执行采用一块单片机的输出来控制该关节的电机15。这种结构的优点是结构简单，根据运动规划的转角矩阵，可以确定每一个关节在一个运动波形的需要输出的角度。缺点是会出现累加误差，控制精度低，因此输出的波形与理论计算的波形误差较大。另外，对统一蛇形机器人系统，要实现不同的运动步态，每次需要烧录不同的控制软件。因此，本控制模式一般不采用。方案二，基于总线的上下位机分层控制由方案一可以看出，多关节驱动电机是一个比较复杂的控制系统，鉴于控制系统的复杂性，应该控制系统由上下位机两级计算机组成 (如图4-1)。上位机完成对机器蛇的实时监控，查询每个单片机的运动状态，并能进行在线和和离线仿真，同时规划步态和路径16。下位机由一块单片机及多块电机驱动板组成。CAN总线系统图 4-1 基于总线的上下位机分层控制上下位机之间的通讯采用CAN总线系统。CAN (Control Area Network,控制局域网)总线是德国Bosch公司于1983年为汽车制造业而开发的，是一种能有效支持分布式控制和实时控制的串行通讯网络，属于现场总线（Fieldbus)的范畴。最大通讯距离可达10km最大通讯波持率可达1Mdps与一般的通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性：（1）多主方式工作，不分主从，通信方式灵活，且无需站地址等节点信息。 (2)可以实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据。 (3)数据出错率极低，一旦某节点出现严重错误可自动脱离总线，总线上其它操作不受影响。 (4)系统扩充方便，只需直接将新节点接入总线即可，可扩充性强，改型灵活，是分布式计算机控制系统的理想总线。 (5)通讯介质可采用双绞线单片机通过CAN总线系统与上位机联络：接收上位机的指令，并将该指令的动作分解，然后把相应的信息发给各电机驱动板，使电机按照要求动作；同时单片机还将收集和处理来自各传感器的信息，并将结果传送到上位机，使上位机了解机器蛇各关节当前的状态。显然，这种方案实现了控制分层，结构上实现了简化，同时解决了方案一中的缺乏各关节驱动电机运动状态信息的弊端：上位机能查询到每个下位单片机的运动状态。更突出的优点是单片机可以烧录入多种步态的程序，由上位机来控制单片机的输出。该方案的不足之处是需要采用支持总线系统的芯片，增加了控制系统设计的难度，同时，在需要输出不同的步态时，要由上位机发出选择步态的指令，而上位机发出步态的指令只能在单片机上设计时通过硬件设计来实现，如设置步态多路选择开关，采用3路选择，最多可以有8中形式的步态。没有无线传输模块，当蛇形机器人需要到很远的地方时无法控制蛇形机器人的运动。42 基于CAN总线单片机控制考虑到方案二的不足，我们提出了方案三，采用带有PC机和无线传输的支持普通串行通信的单片机分层控制系统(如图4-2)。方案三通过PC的人机界面(HMI）上的按钮来选择蛇形机器人的运动模式，PC机的人机界面能：选择并显示当前的运动模式；各驱动关节电机的运动状况；传感器的工作状况；安装有CCD后，可以进行采集图像。该方案的典型特点是：控制系统结构考虑全面，为蛇形机器人功能的扩展留有余地，可以实现远程监控。具有友好的人机交互界面，操作者能通过HMI全面了解各驱动关节电机的工况，并能通过鼠标来选择并显示当前的运动模式；传感器的工作状况；采集的图像。采用分层控制思想，可以大大提高系统的稳定性和实时性，也就解决了多关节驱动电机的控制难题。由于实现了分布式控制，每个单片机单独控制相应的驱动电机，当可以在上位机上设置硬件，来选择本地控制和远程控制的两种模式，不影响蛇形机器人的运行，在没有Pc和上位机的干预时，下位单片机也可以按照默认的模式运动，并且，某一个单片机驱动的损坏并不影响到其他关节的驱动。图 4-2 控制系统总体结构图当然，不足之处是系统设计需要考虑的因素很多，例如，需要用VC-H或专业组态软件开发出友好的人机界面，对于系统设计采用ATMEL单片机而言，波特率可达只有576K那么，只能选择低分辨率的CCD摄像头，否则，只能采用总线结构，并选用支持总线的高速芯片或者另外加上一个支持总线的驱动模块。4.2.1 无线传输模块的应用由于蛇形机器人需要应用在人通常难以到达或危险的场所，如在废墟中的执行搜救或管道中的执行检测，特别是在外太空的探测，因此，上位单片机和PC机的人机界面HMI必须用无线传输模式。在课题研发的初步，我们先考虑能传输较长距离如能达到数公里的无线传输模块，而且这种模块应该具有较高的性价比，并能提供单片机的TTL。电平UART接口。我们采用的是上海上海汉凌电子有限公司开发的HLSrf-108型无线模块(如图4-3)。该无线模块支持1200bps、2400bps、4800bps、9600bps、19200bps等多种接口波特率。传输距离远，在视距情况下，天线高度3米时，可靠传输离距3000m (BER=10-3/1200bps)。突出的优点是能提供标准RS-232、RS-485和UART (TTL电平)接口方式，可与计算机，用户的RS-485设备或其他URAT设备直接相连接使用（用户只需要拔插短路器再上电即可改变接口类型）（如图4-3， 4-4所示）图4-3 HLSrf-108 无线数传模块与HLSrf-108和终端设备连接图图 4-4 HLSrf-108应用原理图4-5 信号传输示意图根据控制系统的总体设计和上节的信号传输示意图可以看到，上位单片机负责与人机界面HMI通讯，传输HMI的下达指令和下层控制单元上传的信号指令。对底层单片机而言，它又是一个主控机，与各个下位机采用有线通讯方式，通过串口发出运动或同步时钟等信号，传输到执行单元上的各个单片机。这些传输的信号：初始位置调整信号，运动开始信号，同步时钟信号，中断信号，运动停止信号以及运动模式信号，为方便信号识别，并分别将它们对应于不同的数据00，01，02，03，04，05 ,06，其中运动模式信号可对应于多个数据，代表不同的运动方式。执行单元的单片机接到主控系统发出的信号后，对其进行识别和判断（如果检测到的信号是00，那么执行初始位置的调整；如果检测到的是01，则对应于运动开始，并依此类推），执行相应的动作。同样当下位单片机检测到一些特殊情况，比如电机转动角度超过最大限定位置等，可以通过串口，主控系统发出中断信号，再由主控系统向各单片机发出中断指令，同时主控系统通过无线传输，在计算机的人机界面HMI上的电机工况区显示异常情况，并发出报警信号。4.2.2 下位单片机系统基于可重构思想，把每个驱动单元的电路和程序都作为一种模块来处理，整个驱动部分也就组成了多个相同而又独立的执行单元。每个执行单元都具有良好的互换性，蛇形机器人每一个执行单元的控制系统（如图4-5所示），从硬件结构上来说都是相同的。单片机通过串口与上位机和人机界面HMI保持通讯。在得到上位单片机的信号后，根据先前的设定加以识别，控制其所在执行单元中电机的运动。每个执行单元对应的单片机不同点不在硬件结构上，而是体现在程序中关节编号的不同。下位单片机采用的是ATMEL公司的AT90系列单片机。AT90系列单片机是基于新的精简指令RISC结构，这种结构使得在8位微处理器市场上AVR单片机具有最高MIPS/mW能力。AVR单片机是用一个时钟周期执行一条指令的，它是在8位单片机中第一种真正的RISC单片机。1,高速度(50ns)、低功耗(uA)；2,工业级(WDT)产品；3,超功能精简指令，具有32个通用工作寄存器（相当于8051中的32个累加器）；4，克服了单一累加器数据处理造成的瓶颈现象）及128-512个SRAM，可灵活使用指令运算并可用功能很强的C语言编程，移植容易5,单片机内有模拟比较器，I/O口可作A/D转换用，可组成廉价的A/D转换器；6,有串行异步通讯UARr，不占用定时器和SPI传输功能，因其高速故可以工作在一般标准整数频率，而波特率可达576K图4-6 AT90S8535单片机根据控制系统的总体设计要求，参照该单片机各个管脚的定义，将PD7管脚作为PWM信号的输出口；PA0管脚作为AD模拟量的输入口，与测量关节转角的电位器相连，读入角度反馈值；PD0管脚和PD1管脚作为串口通信口；由于每块单片机的控制程序都是相同的，对应于不同的运动模式和步态，显然执行单元要执行对应于该运动步态的程序代码。蛇形机器人不同关节在某一时刻运动的转角不相同，为了能在程序中方便的识别，识别单元在整条蛇中所处的位置，需要给蛇形机器人各关节编号，而且关节编号后，从人机界面上也能很直观地反应出各个关节地转角和角速度。我们通过硬件来实现蛇形机器人关节的编号，这样，只要单片机上电，单片机处理器就马上就能自动识别到标号并保存在存储器中，这种方案比在烧录程序时通过软件的方法来识别更可靠，更符合可重构和模块化设计的思想。具体实现形式是增加一个拨动开关（有0和1两种状态）。2键时，可以表示4个编号，3键可以表示8个编号，依此类推，4键和5键的能分别识别16和32个关节的编号我们研制的蛇形机器人有8个关节，在硬件上增加一个四键的拨动开关。根据所在执行单元在整条蛇中所处的不同位置，分别选择不同的编号，共有16种编号，可代表代表116节执行单元，将10- 16节的编号备用，留待扩展。由电路原理图，我们把PB4- PB7作为位置信号输入，与四键拨动开关相连，单片机根据读入的信号来确定自己的位置，并在七段显示器上显示出来；PC7作为电机转停信号，PC6作为电机正反转信号（图4-7为连线图）。PC6信号输出后，分两路，一路直接与PD7输出的PWM信号进行“与”运算，另一路则通过反向器后在与PD7信号进行“与”运算，得到两个时时刻刻互为相反的信号。而PC7的信号输出后，分别与上述两个信号进行“与”运算，达到控制信号关断的作用。因此我们可以得到如下的逻辑运算表达式： （4-1）图 4-7 控制板与驱动板接口电路通过运算，可以得到下表所示的真值表：表4-1输出、输入、控制信号真值表PC7PC6PD7P1P211110110001010110000000由真值表，可以发现，PC6和PC7分别很好的起到了控制正反转和电路通断的作用。采用这种电路结构，可以节约单片机资源，因为每使用一个RWM口，就占用了一个定时/计数器。所以采用目前的方法，可以节约单片机的资源，为今后功能的扩展留有余地。另外还可以保护电机驱动电路，使电机不至烧毁。直流电机驱动电路的设计在我们研制的蛇形机器人中，没有采用直流伺服电机，所采用的电机为3V,3.2mW的直流电机，通常小功率直流电机的调速有两种方法 线型使用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。线性型驱动的电路结构简单，成本低，加速能力强，但功率损耗大，特别是低速大转矩运行时。 脉宽调制PWM另外一种是较常用的脉宽调速（PULSE WIDE MODULATION-PWM)，这种调速方式具有调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，能承受频繁的负载冲击，还可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转的等优点。因此决定采用PWM方式控制直流电机。而PWM调速分为双向式和单向式两种 双向式如图4-8所示即为较常用的PWM调速电路，在一个脉冲周期内(T=Ta+ Tb)，T1和T3导通的时间为Ta, T2和T4导通的时间为T4这样在Ta这段时间内，电机通过的是正向电流，在Tb这段时间内为反相电流。当Ta=Tb时电机停转，TaTb时电机正转，TaTb时反转。 单向式单向式的电路跟双向式相同，但可靠性有所提高，但控制性能比双向式稍差，外特性、低速性能也不如双向式好。综合以上两种方式的优缺点，并考虑到蛇形机器人样机都对调速精度要求不太高，以及省电，器件损耗等各方面因素，决定采用单向式PWM。另外，考虑到编程时可能会产生使T1，T2，T3，T4都导通的情况，以至电源短路，烧毁器件。为避免出现这种情况，设计了如图4-9所示的改进驱动电路。图4-8 典型驱动电路图4-9改进后的驱动电路下位单片机系统之间的通讯电路构成一个多机通讯电路，多机通讯采用标准的RS- 232协议，只需将串口直接相连，传输的主要信号有运动开始及停止，转角和意外中断信号等。43 控制程序编写4.3.1 上位单片机的控制程序主控单片机连接人机界面HMI和下位单片机1。在运动开始之前，主控单片机通过无线通讯模块从人机界面HMI中得到运动开始信号以及所要进行的运动方式代码，并将这个信号（包括运动模式代码）转达给各个下位机，接着等待各个执行单元初始位置调整完毕后下位机所发回的调整完毕信号。在接到调整完毕信号后，主控单片机通过串口向下位机发出运动开始指令。在运动过程中，为避免由于各下位机电路中晶振误差所带来的时钟信号不一致，主控单片机每隔一个特定的时间段后，向下位机发送同步时钟信号，使得各下位机同步运行。同时检测是否有下位机发送的意外中断信号或者是人机界面HMI发出的运动停止信号，直至运动停止。4.3.2 下位单片机的控制程序(1)主程序下位单片机通过驱动板来控制关节电机的转动，并按照设定的采样频率读取电位器的数据，通过A/D转换送到上位机和人机界面HMI，同时又构成一个反馈系统
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