一種凸輪式機械仿生蛇

江嘉泰 楊志凌* 吳海峰 劉奇龍 岳 權 黃小宇

（1.華北電力大學 能源動力與機械工程學院，北京 100096；2.華北電力大學 控制與計算機工程學院，北京 100096）

蛇類是爬行動物中最龐大的一類，約2 700種，遍布世界各地[1]。生物蛇的運動在具有高自由度的同時具有魯棒性和穩定性，使得蛇形機器人在面對未知復雜環境時有更多的可能。蛇形機器人對地形的適應能力要強于傳統的輪式機器人和腿式機器人[2]，可以應用在狹窄復雜的地形環境和人工作業有安全風險的場合。此外，一端固定的高自由度蛇形機械臂在航空航天等領域中也發揮了重要作用[3]。

國外對蛇形機器人的研究較早。1972年，東京大學的HIROSE教授成功研制了第一臺仿生蛇形機器人[4]，自此多個國家的研究人員先后投入仿生蛇形機器人的研究。我國在這方面的起步較晚，但發展迅速。中國科學院、國防科技大學等國內高校對其進行了相關研究，并取得了很大進展[5-6]。近年來，有關仿生蛇形機器人的研究層出不窮[7-13]。

生物蛇的身體復雜且具有高度的合理性，用機械結構完全模擬其結構幾乎不可能[14]，所以需要通過對生物蛇的研究獲得其運動所需的基本條件，并設法使用機械結構滿足這些條件。

1 仿生蛇的研究

1.1 運動方式

生物蛇常規的運動方式共有4種，其中蜿蜒爬行是生物蛇最常見的運動方式。生物蛇在蜿蜒爬行過程中擺動身體傳遞波形[1-2]，蛇體相對地面沿前進方向運動，同時蛇腹部鱗片的特殊結構使得前向的平均摩擦系數顯著大于后向的平均摩擦系數，而左右向的摩擦系數則相差較小[15]。利用腹部鱗片的摩擦特性，生物蛇在擺動中獲得了向前的運動推力。

蜿蜒運動也是目前仿生蛇形機器人應用最多的運動方式，本文亦采取這種運動方式，并參照HIROSE教授提出的蜿蜒曲線（serpenoid曲線）進行模擬運動，以指導機械結構的設計。

1.2 身體結構

蛇類有130～500個脊椎骨，每兩個脊椎骨之間可以做到在水平和豎直方向自由運動。蛇類的靈活性來源于這些脊椎骨的運動[2]。機械上有多種方式來模擬蛇類的高度靈活性，較常使用的方法有平行連接（轉動副的軸線相互平行，結構簡單，但只能在平面運動）、正交連接（相鄰轉動副軸線互相垂直，結構相對簡單）以及萬向節連接（具有良好的空間靈活性，但結構復雜難以控制）[16]。

2 仿生蛇結構設計

2.1 蛇形機器人總體結構

仿生蛇型機器人由蛇頭和蛇身兩部分組成。蛇身是其中最主要的部分，由6個小關節組成，負責執行運動和支撐保護整體。蛇頭安裝有攝像頭，負責圖像傳輸與適應地形。

2.2 結構方案設計

2.2.1 整體結構

蛇形機器人目前常見的結構如前所述，經過綜合考慮，選用垂直正交的關節連接方式。正交連接利用兩個互相垂直的轉動副模擬蛇類靈活的身體，結構相對簡單，制造成本相對低廉[16]。因為采取了凸輪作為傳動方式，所以在垂直地面的轉動副基礎上附加設有六邊形的孔，并附加間隙配合的軸以傳遞轉矩。

蛇體底部的摩擦系數各自具有向異性，本文選擇無從動輪設計。機械蛇的整體由正交連接的關節組成的蛇身和蛇頭組成，如圖1所示。

圖1 蛇體

2.2.2 結構方案設計

設計采用凸輪作為控制機器人運動的傳動裝置，結構簡單，易于維護，且可在較大程度上降低對蛇形機器人機電控制的要求。根據serpenoid曲線制作凸輪作為運動的執行機構，通過凸輪的旋轉即可得到所需要的運動規律。

根據連桿式蛇體，曲線上關節角（相鄰連桿間的夾角）變化函數[18]可得到

用常數A代替，A的值可以由希望設定的蛇體最大連桿角確定。為了計算簡便，不妨設桿有初始偏角，大小為A，最終可得

式（2）為凸輪擺動從動件的運動規律。根據這一規律對曲線凸輪進行設計計算，當凸輪繞軸線旋轉時，被帶動的擺桿的運動即是蛇形機器人所需的運動規律。根據結構設計確定凸輪的基圓半徑r，根據所需擺角θ確定常數A、擺桿長度l以及圓柱的高h。經過實驗選擇各參數如下：r=15 mm，θ=22°，A=0.698，l=14 mm，h=41 mm。

為了能夠使凸輪擺桿精確地按照凸輪曲線的規律運動，采用一種新型圓柱凸輪機構[19]，并在原有基礎上進行改進，以適應蛇體的設計，如圖2所示。改造后的機構對應于凸輪的同步靈活度要弱于原有設計，但更適于蛇體結構的設計。

圖2 新型的圓柱凸輪機構

通過應用凸輪機構，簡化了仿生蛇的控制。通過舵機的單方向轉動即可實現仿生蛇的蜿蜒爬行功能，而使用傳統的驅動方案需要更復雜的操控方法。理論上，該方案可以最大限度簡化操控方法[11-12]。

2.2.3 驅動方案設計

目前，蛇形機器人的仿生驅動方式有齒輪輪系驅動[16]、多個舵機直接驅動[20]以及人工肌肉驅動[21]等，其中多數需要采用伺服電機。設計運用凸輪傳動則可使用舵機通過齒輪嚙合傳動。舵機采用大疆生產的RoboMaster M2006 P36電機，體積小，重量輕，功率密度高，可變速范圍廣。為了盡量利用蛇體空間，減小蛇體外形尺寸，選擇模數為1，齒數分別為30和43的一對齒輪嚙合傳動。

2.3 單元結構設計

設計中蛇體采用模塊化設計。蛇頭搭載攝像機可完成圖像錄制和儲存工作。蛇頭設計為特殊形狀，以適應復雜的環境。蛇頭與蛇身相對獨立，可單獨拆解，之后可根據需要設計、更換新的蛇頭。

蛇身的正交關節由豎直轉動和水平轉動兩種分段組成，目前只在前者上安裝有傳動裝置。為了保證強度和剛度，在各支撐處設計有加強筋。蛇體目前可實現在水平面內的蜿蜒爬行，同時對環境的適應程度優于純平面移動的設計。

2.4 蛇體控制

蛇體控制方面采用大疆單片機C板，向電機輸入指令。得益于使用凸輪機構，電機的控制得以簡化。由于機械蛇扭動過程中3個關節受力情況不同，故需要對蛇身3個部分賦予一定差異的速度，以達到更好的模擬效果。

3 結語

通過對生物蛇的運動和身體結構的分析，采用正交連接的模塊化蛇體關節，設計了一種運用圓柱凸輪機構的仿生蛇型機器人，簡化了蛇形機器人的結構和電機控制。鑒于本設計目前只能在平面移動，后續將重點研究蛇體空間運動。