摘 要： 對蛇的身體結構和運動形態(tài)進行了分析，掌握了蛇的運動模型，分析了蛇在蜿蜒運動過程中的受力情況。通過對蛇行運動的研究，結合結構設計、控制系統(tǒng)設計等，設計一條13關節(jié)的仿生機器蛇，實現(xiàn)蜿蜒前進、轉彎、蜷縮、抬頭等動作。并對仿生蛇的設計提出一些看法，結合實際，對其未來發(fā)展提出建議。
關鍵詞： 蛇形機器人；結構設計；蜿蜒運動
隨著仿生學的發(fā)展，人們把目光對準了生物界，探索新的運動模式有了新的進展。蛇是無四肢動物中最龐大的一類，在幾千年的進化歷史中，它能進行多種運動以適應不同的生活環(huán)境（如沙漠、水池、陸地、樹林等）。仿蛇形機器人就在這種背景下誕生了。蛇形機器人可適應各種復雜地形的行走，如在戰(zhàn)場掃雷、偵測、爆破、礦井和廢墟中探測營救、管道維修以及外行星地表探測等[1]，其性能優(yōu)于傳統(tǒng)的行走機構，在許多領域具有非常廣泛的應用前景。本文通過對蛇的運動方式進行分析并就仿生蛇的關節(jié)結構進行設計，提出系統(tǒng)控制方案。
1 蛇類運動研究
在自然界的不同環(huán)境中，生存著不同種類的蛇，它們的運動方式也有所不同，大致可分為以下幾種：(1)蜿蜒運動：蛇體擺動近似于正弦波的規(guī)律，依靠腹部蛇鱗與地面的摩擦作用產(chǎn)生推動力。蜿蜒運動時，蛇體作橫向的波動，形成若干個波峰和波谷，在彎曲處的后邊施力于地面，沿從頭部到尾部方向傳播，由地面的反作用實現(xiàn)運動。(2)伸縮運動：在蛇通過長直的狹窄通道時常采用這種運動方式。該運動可分為兩個節(jié)拍，先以前部作支撐，收縮肌肉向前拉后部，再以后部作支撐，通過肌肉收縮向前推動前部。這種運動的效率比較低。(3)側向移動：這種運動常見于生存在沙漠中的蛇類。運動中蛇腹始終都只有很小的部分與地面接觸，而相鄰接觸部分之間的軀體是抬起的，分順序接觸地面，然后抬起，依次循環(huán)，產(chǎn)生一個側向的運動。這種運動的效率比較高，能獲得較大的加速度，適合在柔軟的沙地運動。
在以上運動方式中，最常見的是運動效率最高的蜿蜒運動，然后是伸縮運動，側向運動比較少見。通過對蛇的運動分析可見，無論哪一種運動方式，都可以看成是一系列的波形傳遞，如圖1所示。YZ平面沿Y方向上下運動，實現(xiàn)伸縮運動；XY平面沿Y方向左右運動，實現(xiàn)蜿蜒運動；如果YZ平面和XY平面沿Y方向進行空間復合運動，就產(chǎn)生所謂的側向移動[2]。
考慮仿生蛇設計的便利性，選擇蜿蜒的運動方式，并假設以正弦波傳遞。可以知道在波形傳遞過程中各個關節(jié)相對旋轉角度的變化，從而控制波形穩(wěn)定地向前推進。蛇形機器人是一個多連桿系統(tǒng)，通過各相鄰連桿的協(xié)調(diào)動作向前推進。Serpenoid[3]曲線己經(jīng)被廣泛應用到蛇形機器人上，以Serpenoid曲線為例對蛇形機器人的運動步態(tài)進行規(guī)劃。Serpenoid是指一個穿過X-Y坐標系原點的曲線，如果滿足以下條件，就可以被稱為蜿蜒曲線：
其中a、b、c三個參數(shù)將決定曲線的形狀，通過改變Serpenoid曲線的這三個參數(shù)，既可以改變蜿蜒曲線的傳播波型、傳播幅度，也可以改變曲線的傳播方向。由Serpenoid曲線的定義可得到N關節(jié)組成的近似Serpenoid曲線蛇型機器人蜿蜒運動的角度。
2 仿生蛇形機器人結構設計
設計了仿生蛇形機器人三個部分的關節(jié)模型，分別是頭部關節(jié)、驅(qū)動關節(jié)和尾部關節(jié)，并用計算機輔助設計軟件UG NX7.0繪制出了各個關節(jié)的模型。蛇形機器人的加工材料有硬鋁、PVC塑料、ABS塑料、樹脂等，考慮到機械加工性能、塑性、韌性、強硬度等，最終選定了光敏樹脂。加工方法選擇快速成型加工，其核心思想是離散堆積成型。運用激光快速成型技術，加上最適合該技術的光敏樹脂材料，加工理想的關節(jié)實物[4]。
2.1 仿生蛇形機器人驅(qū)動關節(jié)設計
仿生蛇由13個關節(jié)串聯(lián)而成，每個關節(jié)都具有一個獨立的自由度，前3個關節(jié)(舵機11、12、8)負責蛇形機器人抬頭和搖頭動作，從第4個關節(jié)開始為驅(qū)動關節(jié)，通過關節(jié)(舵機)0、1、3、4、6、7、9、10相互配合完成蜿蜒運動，模擬蛇形曲線推動整個蛇形機器人身體的前進。關節(jié)(舵機)2、5完成轉彎，蜷縮動作。圖2所示即是運用UG NX7.0軟件繪制的仿生蛇形機器人驅(qū)動關節(jié)建模。
2.2 仿生蛇形機器人尾部設計
仿生蛇形機器人尾部設計不僅要考慮外型，還要把它設計為整個系統(tǒng)的動力來源，因所需控制舵機較多，電源采用鋰聚合物電池。電池較重，為滿足運動要求，需安放在蛇的尾部。圖3所示即為運用UG NX軟件繪制的仿生蛇形機器人尾部關節(jié)建模。
2.3 仿生蛇形機器人頭部設計
仿生蛇形機器人頭部設計是模仿人腦的功能，它集超聲波測距模塊(仿生蛇眼)、聲控電路模塊(仿生蛇耳)、MCU控制模塊(仿生蛇大腦)、32路舵機控制模塊(仿生蛇小腦)等重要控制單元為一體，如圖4所示。其中MCU控制模塊為上位機，負責各信息的處理；舵機控制模塊為下位機，負責各舵機角度的控制，完成基本動作要求。因各模塊結構復雜且尺寸不一，因此無法通過快速成型加工得到較合適的蛇頭模型，只能采取手工加工完成頭部的設計，再用電路板直接拼裝而成。其中，采用U形金屬支架連接舵機和頭部，使蛇形機器人可以做到抬頭和低頭的動作。仿生蛇形機器人關節(jié)連接如圖5所示。
3 仿生蛇形機器人控制系統(tǒng)設計
蛇形機器人基本的設計思想是通過改變各個關節(jié)之間相對運動角度來使蛇體達到相應的運動姿態(tài)，從而實現(xiàn)蛇體的運動。通過對蛇類蜿蜒運動的研究，計算出蛇在不同運動形態(tài)的各個關節(jié)之間的相對轉角的公式，通過控制每個關節(jié)的轉角，實現(xiàn)蛇的連續(xù)蜿蜒運動。整個控制系統(tǒng)設計框圖如圖6所示。即將主控單元通過擴展板進行擴展，將32路舵機控制板、超聲波傳感器模塊和聲控模塊連接為一整體，通過擴展板將各個模塊與主控單元協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)對機器人的控制。
主控單元采用Arduino的AVRmega168-20PU微控制器與32 路伺服舵機控制器串口連接，通過主控單元上位機給伺服舵機控制器傳遞控制指令，即可實現(xiàn)多路伺服舵機的單獨控制或同時控制，控制指令精簡，控制轉角精度高，以至能夠完成蜿蜒前進、轉彎、蜷縮等動作。
蜿蜒前進根據(jù)Serpenoid曲線公式，設置蜿蜒舵機角度，各舵機角度如表1所示。舵機轉角范圍一般為180°，居中時角度為90°，控制舵機的PWM范圍一般為500～2 500，居中90°時的脈寬數(shù)為1 500[５]。
蜿蜒運動程序編寫如下：
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轉動。這樣就能使仿生蛇比較靈活地轉動，不受摩擦力的約束，同時又能使蛇正常前進。
參考文獻
[1] 王立權.機器人創(chuàng)新設計與制作[M].北京：清華大學出版社，2007.
[2] 黃恒，顏國正，熊翔.蛇形機器人的運動策略[J].電機與控制學報，2002，6(3)：249-251.
[3] 孫洪，馬培蓀.蛇形機器人一種基于serpenoid曲線的蠕動步態(tài)[J].機械設計與研究，2008，24(1)：39-41.
[4] 宋天麟，王立軍.蛇形機器人的研究與開發(fā)[J].機械制造與自動化，2005，34(6)：120-121.
[5] 盧亞平，宋天麟.基于舵機控制的防生魚設計[J].微型機與應用，2011，30(14)：72-74.