仿生蛇形機器人的設計及研究

盧亞平，宋天麟

(蘇州大學 應用技術學院，江蘇 蘇州215325)

隨著仿生學的發展，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]，其性能優于傳統的行走機構，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結構進行設計，提出系統控制方案。

1 蛇類運動研究

在自然界的不同環境中，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律，依靠腹部蛇鱗與地面的摩擦作用產生推動力。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，產生一個側向的運動。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，實現伸縮運動；XY平面沿Y方向左右運動，實現蜿蜒運動；如果YZ平面和XY平面沿Y方向進行空間復合運動，就產生所謂的側向移動[2]。

圖1 蛇運動方式的波形傳遞

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相對旋轉角度的變化，從而控制波形穩定地向前推進。蛇形機器人是一個多連桿系統，通過各相鄰連桿的協調動作向前推進。Serpenoid[3]曲線己經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進行規劃。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三個參數將決定曲線的形狀，通過改變Serpenoid曲線的這三個參數，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模型，分別是頭部關節、驅動關節和尾部關節，并用計算機輔助設計軟件UG NX7.0繪制出了各個關節的模型。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，加工理想的關節實物[4]。

2.1 仿生蛇形機器人驅動關節設計

仿生蛇由13個關節串聯而成，每個關節都具有一個獨立的自由度，前3個關節(舵機11、12、8)負責蛇形機器人抬頭和搖頭動作，從第4個關節開始為驅動關節，通過關節(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(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動關節建模。

圖2 驅動關節的UG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建模。

圖3 尾部的UG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連接如圖5所示。

圖4 仿生蛇形機器人頭部結構

圖5 仿生蛇形機器人關節連接

3 仿生蛇形機器人控制系統設計

蛇形機器人基本的設計思想是通過改變各個關節之間相對運動角度來使蛇體達到相應的運動姿態，從而實現蛇體的運動。通過對蛇類蜿蜒運動的研究，計算出蛇在不同運動形態的各個關節之間的相對轉角的公式，通過控制每個關節的轉角，實現蛇的連續蜿蜒運動。整個控制系統設計框圖如圖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調控制，實現對機器人的控制。

圖6 控制系統框圖

蛇形機器人的主要控制流程包括聲控信號檢測、超聲波距離檢測、蜿蜒前進模式、蜷縮模式、警覺模式等，如圖7所示。在系統運行后，程序即進入蜿蜒運動控制狀態，同時不斷掃描聲信號和分析超聲波測距傳感器所收集的距離信號，當聲信號強度超過調定的閾值信號后，系統進入蜷縮模式和警覺模式；當超聲波測距傳感器采集到前方障礙物距離小于30 cm時，系統進入避障模式，由蛇形機器人頸部的舵機控制頭部左右搖動，超聲波傳感器采集兩側的距離信號，通過比較后，轉彎避開障礙物，繼續做蜿蜒運動前行。

圖7 蛇形機器人控制流程圖

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°時的脈寬數為1 500[5]。

蜿蜒運動程序編寫如下：

表1 蜿蜒舵機在各時刻角度表

注：#為舵機號，P為脈寬數（500～2 500），S為速度，T為動作完成時間。

本文所有設計圖都是在UG中完成的。歷時3個月完成實體，使用資金約15 000元，獲得江蘇省第四屆大學生機器人大賽創新設計組一等獎。整體組裝結構如圖8所示。本設計雖然完成了基本動作但還存在許多不足之處，由于舵機的扭力大小關系，無法使仿生蛇的所有豎直方向上的關節都能夠完成預想的動作。但是還是能夠使仿生蛇大體上完成預想的動作，包括水平轉動、蜿蜒前進、聲控后的動作等。建議以后改進時把萬向輪安置在所有關節底部，使其保持在一條水平線上，然后使用一個大功率的驅動元件放置在蛇頭之后的一個關節上來單獨負責前進的驅動力，舵機則負責水平和豎直的轉動。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。

圖8 仿生蛇整體組裝結構圖

[1]王立權.機器人創新設計與制作[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[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[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.