一種軟體蛇形機(jī)器人電源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉響響

（江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西萍鄉(xiāng)337000）

0 引言

蛇形機(jī)器人因其在復(fù)雜環(huán)境中運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)而備受各領(lǐng)域關(guān)注。目前，蛇形機(jī)器人的用途分為兩大類(lèi)[1-5]，一類(lèi)是目標(biāo)診測(cè)，另一類(lèi)是目標(biāo)點(diǎn)處理（例如障礙物清理、設(shè)備故障維修等）。診測(cè)領(lǐng)域?qū)ν饨绻β瘦敵鲚^小，因此對(duì)電源輸出和續(xù)航需求較低；但是大距離運(yùn)動(dòng)和目標(biāo)點(diǎn)處理則對(duì)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(xiàn)形式，由尾部電纜實(shí)時(shí)給蛇形機(jī)器人供電。但該種供電形式影響到了蛇形機(jī)器人實(shí)際使用的靈活性（常見(jiàn)問(wèn)題如容易卡住尾拖線(xiàn)，電源線(xiàn)在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生磨損漏電或線(xiàn)路斷裂）[6-8]，針對(duì)該問(wèn)題，文中給出了一種軟體蛇形機(jī)器人的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 軟體蛇形機(jī)器人電源需求分析

根據(jù)軟體蛇形機(jī)器人的結(jié)構(gòu)可知[9]，軟體蛇形機(jī)器人關(guān)節(jié)系統(tǒng)與電機(jī)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(guò)對(duì)可變形囊體的控制實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的伸展或者收縮，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)蛇形機(jī)器人關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。為滿(mǎn)足軟體蛇形機(jī)器人對(duì)外做功和自身載荷的需求，需要提升機(jī)器人電源瞬時(shí)功率和電源電荷量，由于蛇形機(jī)器人體積較小，這就要求提升軟體蛇形機(jī)器人自身形體的空間利用率。軟體蛇形機(jī)器人關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 軟體蛇形機(jī)器人關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)

2 蛇形機(jī)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(jī)器人可以采用雙電源結(jié)構(gòu)，其中一個(gè)電源系統(tǒng)內(nèi)置在蛇形機(jī)器人每個(gè)關(guān)節(jié)的四個(gè)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(jī)器人關(guān)節(jié)的A、B、C、D四個(gè)可變形囊體中充入液態(tài)電解液，當(dāng)蛇形機(jī)器人關(guān)節(jié)需要做相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)時(shí)，只需將各個(gè)囊體中的電解液通過(guò)液態(tài)泵抽取到相應(yīng)的囊體中，即可改變相應(yīng)囊體的形狀，完成關(guān)節(jié)的動(dòng)作。不管蛇形機(jī)器人關(guān)節(jié)囊體如何變化，囊體中的電解液都不會(huì)減少，電解液中存放的電荷量都能通過(guò)相應(yīng)的電路結(jié)構(gòu)對(duì)機(jī)器人本體提供電源。

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

圖2 蛇形機(jī)器人脊柱電源結(jié)構(gòu)圖

圖2中，法蘭盤(pán)用于連接機(jī)器人前后關(guān)節(jié)系統(tǒng)；每個(gè)蛇形機(jī)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(gè)圓柱形電池底面直徑2 cm，電池柱高0.5 cm，每?jī)蓚€(gè)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(guò)電極片和導(dǎo)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(yīng)蛇形機(jī)器人關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)彎，并且在蛇形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不影響電池結(jié)構(gòu)對(duì)外輸出電源。電池正負(fù)極之間采用彈簧結(jié)構(gòu)連接，以適應(yīng)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中電路系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)定性的要求。

3 蛇形機(jī)器人電源電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蛇形機(jī)器人各關(guān)節(jié)中存在4個(gè)囊體，各個(gè)囊體中充溢著液態(tài)電解液，每個(gè)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(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)囊體的控制，相當(dāng)于4個(gè)可變?nèi)萘侩姵兀娐吩砣鐖D4所示。由于各個(gè)囊體中電解液隨關(guān)節(jié)的伸縮而發(fā)生增減，單個(gè)關(guān)節(jié)的電壓也會(huì)隨之變化，所以采用串聯(lián)形式，使各個(gè)關(guān)節(jié)的囊體電池構(gòu)成一個(gè)串聯(lián)電路，組成一個(gè)串聯(lián)電壓源，最后經(jīng)整流芯片完成對(duì)該部分電壓源的電壓、電流整合，以滿(mǎn)足蛇形機(jī)器人的液態(tài)泵和附屬裝置的電源需求。

圖4 蛇形機(jī)器人關(guān)節(jié)囊體電路組成

在蛇形機(jī)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(gè)單體電源——脊柱電源。通過(guò)并聯(lián)的形式將蛇形機(jī)器人各關(guān)節(jié)的脊柱電源進(jìn)行連接，形成一個(gè)穩(wěn)定的電壓源，對(duì)外部設(shè)備供電。每個(gè)鋰電池額定電壓選取為1.5 V，單個(gè)蛇形機(jī)器人關(guān)節(jié)內(nèi)脊柱可形成12 V額定電壓。蛇形機(jī)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(yǔ)

因驅(qū)動(dòng)電源受到機(jī)器人結(jié)構(gòu)的限制，蛇形機(jī)器人續(xù)航能力不足。本文對(duì)蛇形機(jī)器人自身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)電源與機(jī)器人自身結(jié)構(gòu)的良好結(jié)合，提升機(jī)器人的電源續(xù)航穩(wěn)定性，同時(shí)也能更好地實(shí)現(xiàn)機(jī)器人仿生性能，降低無(wú)用功能耗。