一種PR結(jié)構(gòu)蛇形機器人的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計*

李永梅，張衛(wèi)芬，遲英姿

(東南大學成賢學院， 江蘇 南京 210088)

一種PR結(jié)構(gòu)蛇形機器人的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計*

李永梅，張衛(wèi)芬，遲英姿

(東南大學成賢學院， 江蘇 南京 210088)

根據(jù)仿生蛇多冗余、多自由度的特點，提出了PR結(jié)構(gòu)蛇形機器人機械機構(gòu)。該機構(gòu)的主要特點是關(guān)節(jié)機構(gòu)的模塊化，每個關(guān)節(jié)具有3個自由度，關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)中采用了彈簧零件，每個關(guān)節(jié)有2個電機。在電機沒有力作用的情況下，彈簧通過預緊力恢復至初始位置，不需要電氣和程序控制，大大簡化了操作流程。蛇體運行更加貼合外環(huán)境表面，增加了其執(zhí)行任務過程中的穩(wěn)定性。突破性實現(xiàn)了軸向伸縮、背部腹部彎曲等功能體態(tài)。

PR結(jié)構(gòu)；蛇形機器人；關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)；軸向伸縮

引 言

蛇形機器人是一種能夠模仿生物蛇真實運動的新型仿生機器人。蛇形機器人的研究已經(jīng)進入到實用階段。借助仿生蛇其特有的多自由度、多冗余自由度與多種運動形態(tài)，可以滿足復雜環(huán)境中搜救、偵查、排除危險物品等反恐任務的需求。為了在蛇體運動時，能夠?qū)崿F(xiàn)在不同的運動環(huán)境中，以不同的形態(tài)和體態(tài)執(zhí)行任務，需要設計出能夠完成三維運動的新型結(jié)構(gòu)蛇體樣機。模塊可重構(gòu)機器人由許多模塊組成，這些模塊能以多種方式斷開或連接，形成具有不同功能的新系統(tǒng)。它有3個顯著特點，即通用性、魯棒性和經(jīng)濟性。蛇形機器人具有模塊化結(jié)構(gòu)特點，因此可重構(gòu)蛇形機器人的研究，極大地拓寬了蛇形機器人的應用領域[1]。

1 PR結(jié)構(gòu)蛇形機器人總體設計方案

遵從柔性設計理念，通過變換不同的程序控制，來實現(xiàn)盡可能多的蛇體運動體態(tài)，盡可能地貼近蛇體的生物特性，在結(jié)構(gòu)設計之前，必須明確要完成什么樣的蛇體運動。蛇體運動模式和體態(tài)眾多，但主要由2種基本模式組成：水平彎曲運動和上下仰俯運動。這就要求一個蛇關(guān)節(jié)至少要能進行2個自由度的運動。

目前幾乎所有的蛇體實驗樣機都只具有2個自由度，通過2個自由度的組合進行實際蛇體的運動控制[2]，而使得蛇體運動的體態(tài)控制比較復雜，不能實現(xiàn)聯(lián)合調(diào)節(jié)，也不能實現(xiàn)生物蛇的復雜形體?，F(xiàn)有的蛇形機器人結(jié)構(gòu)主要有4種：扇形齒輪式、鏈條式、云臺式及PR結(jié)構(gòu)形式。扇形齒輪式主要組成是一對垂直安裝的扇形半齒輪，并有2個軸心形成彎曲與俯仰運動，但齒輪空間小，小模數(shù)扇形齒輪造價高，小模數(shù)蝸輪蝸桿和齒輪鏈這些部件在研制蛇形機器人中須利用現(xiàn)有裝置，難以專門設計制造，因此不能選擇。鏈條式結(jié)構(gòu)同樣也可實現(xiàn)2自由度運動，但在關(guān)節(jié)處無法安裝電機，圓環(huán)框架制造與裝配都很麻煩。云臺式結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)緊湊和承載大，但將其作為仰俯運動部件擔負沉重負荷，放置在電機軸上并不合適。

基于以上原因，本文蛇形機器人采用PR結(jié)構(gòu)。PR結(jié)構(gòu)是指俯仰(Pitch)運動中添加繞蛇體縱軸的橫滾(Roll)運動。即在作橫滾運動的電機軸上安裝作俯仰運動的電機。兩者為剛性聯(lián)結(jié)，用它們組成一個蛇關(guān)節(jié)單元，原理圖見圖1。PR結(jié)構(gòu)是目前較為流行的做法，其優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單，效率高。如圖所示，電機BN一般不工作，當它處于校零位置時，電機AN作水平彎曲運動，當BN轉(zhuǎn)至法向位置后AN作上下俯仰運動。但此結(jié)構(gòu)對驅(qū)動電機力矩的要求過大，且不能實現(xiàn)目前的復雜和高速運動。在運動控制中存在速度慢、控制不方便以及蛇體運動靈活性不足等缺點，所以要在這個PR結(jié)構(gòu)的基礎上進行優(yōu)化。

圖1 PR結(jié)構(gòu)原理圖

2 自由度及關(guān)節(jié)設計

PR結(jié)構(gòu)的蛇形機器人關(guān)節(jié)有3個自由度，即俯仰運動、繞蛇體縱軸的橫滾運動以及軸向伸縮(Pull-Push)運動。軸向伸縮運動自由度的添加，使得機器人在各種環(huán)境中的各種運動體態(tài)更容易得到控制。例如在地震廢墟中，蛇體要通過狹小的混凝土結(jié)構(gòu)的縫隙時，蛇體的彎曲運動沒有用處，需要采用類似于環(huán)形動物螞蝗和蚯蚓的運動體態(tài)，通過狹小的空間[3]。

考慮蛇體運動過程中有關(guān)重心方面的體態(tài)問題，要使蛇體運行過程中，更加貼合外環(huán)境表面，增加其執(zhí)行任務過程中的穩(wěn)定性[4]，設計了圖2所示的蛇體關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)。

圖2 PR結(jié)構(gòu)關(guān)節(jié)圖

機器蛇在執(zhí)行任務過程中，需要有彎曲變形、上下俯仰變形、軸向伸縮變形等體態(tài)，每個關(guān)節(jié)需要安裝2個電機。蛇體關(guān)節(jié)運行原理為：左端電機轉(zhuǎn)動相關(guān)角度，帶動搖桿，操縱頂針運行至下端的伸縮孔；右端電機旋轉(zhuǎn)，帶動絲杠同步旋轉(zhuǎn)，操縱絲杠擋板沿著導槽左行，壓縮頂針系統(tǒng)，使得伸縮桿左移，外伸出箱體，實現(xiàn)相鄰兩關(guān)節(jié)底端位置變化；右端電機回轉(zhuǎn)至零位，至下一循環(huán)。

3 關(guān)節(jié)動力配置及結(jié)構(gòu)設計

在關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設計中主要完成了動力源、關(guān)節(jié)箱體結(jié)構(gòu)、關(guān)節(jié)箱體輪廓及主要零件的設計。蛇形機器人每個關(guān)節(jié)原則上須配備獨立動力源，按現(xiàn)有條件可選擇位移電機。目前能夠選擇的只有舵機和步進電機兩種位移型電機。

三維運動(爬樹)需要較大的轉(zhuǎn)矩，因此必須使用體積大的電機。此外，過重的電纜限制了蛇的關(guān)節(jié)數(shù)。蛇關(guān)節(jié)電機第2項技術(shù)要求是選擇轉(zhuǎn)矩體積比大的電機(分子是轉(zhuǎn)矩，分母是體積)。在參閱了大量電機產(chǎn)品資料后，選擇型號為24BYJ48的四相八拍帶減速比64的永磁步進電機。需要對電機進行靜態(tài)與制動轉(zhuǎn)矩測定。

如圖3所示。一個試驗是靜態(tài)的，即施加多大外力矩可使轉(zhuǎn)軸開始轉(zhuǎn)動。另一試驗是在四相電機的某繞組通以40 mA的直流電流，在“電制動”條件下測試輸出軸自鎖能力，又稱保持轉(zhuǎn)矩。第2個試驗的意義在于：所測轉(zhuǎn)矩數(shù)據(jù)與步進脈沖工作時產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩數(shù)據(jù)比較接近，并且后者略大于前者。第1個試驗所得數(shù)據(jù)為1 760 g·cm，約為產(chǎn)品技術(shù)指標規(guī)定(350 g·cm)的5倍。此試驗在40 mA電流即加載12 V電壓的條件下(實測繞組電阻為270 Ω)為2 560 g·cm?？梢娙艏哟笾苿与娏鳎苿愚D(zhuǎn)矩能得到很大的提升。因此，蛇關(guān)節(jié)電機中不參加動作的電機均讓其處于使能狀態(tài)，以增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖3 電機測試圖

圖4所示為關(guān)節(jié)箱體輪廓。當各孔單一作用時，負責向一個方向彎曲，即：孔1和孔3負責蛇關(guān)節(jié)的上下俯仰自由度；孔2和孔4負責蛇關(guān)節(jié)的左右彎曲運動。當4個孔同時作用時，即完成相鄰關(guān)節(jié)之間的伸縮運動體態(tài)。孔5和孔6為電線預留走線孔。在關(guān)節(jié)的兩個電機的運行中，電機A負責旋轉(zhuǎn)伸縮桿至指定位置，電機B負責通過擋板壓縮伸縮桿，使得相關(guān)控制的位置伸長，以達到相鄰關(guān)節(jié)的軸線變化或相鄰關(guān)節(jié)的間距變化的效果。

圖4 關(guān)節(jié)箱體示意圖

為了簡化機械結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)設計時，采用了彈簧零件，在電機沒有力作用的情況下，彈簧通過預緊力恢復至初始位置。這樣不需要電氣和程序控制，大大簡化了操作流程。

基于運動體態(tài)控制和蛇體運行時穩(wěn)定性的要求，必須降低蛇體關(guān)節(jié)的重心。圓形蛇體輪廓與地面接觸時為點接觸，使得蛇體在軸線方向上相對于外環(huán)境的旋轉(zhuǎn)自由度得不到控制，降低了穩(wěn)定性和控制精度，影響體態(tài)控制，增加了運動的阻力。因此箱體輪廓并非圓形結(jié)構(gòu)，而是采用三角過圓弧形狀輪廓，見圖5。

圖5 箱體輪廓

4 主要零件設計

4.1 鉸鏈爪和球形墊圈的設計

考慮到關(guān)節(jié)與關(guān)節(jié)位置變化時，一個關(guān)節(jié)與相鄰關(guān)節(jié)有相對轉(zhuǎn)動，在設計時，要規(guī)避“運動卡死”與“死角”等情況發(fā)生。將結(jié)構(gòu)設計成可轉(zhuǎn)動，且接觸面為球面，以減少阻力，見圖6(a)和圖6(b)。

4.2 伸縮桿件和頂針的設計

作為蛇體運動的主要組成部分之一，伸縮桿件在蛇體整個機構(gòu)中擔任著舉足輕重的作用：通過改變伸縮桿在箱體中和箱體外的長度來實現(xiàn)蛇體相鄰關(guān)節(jié)的相對位置的變化。由于伸縮桿件在蛇體運動時是關(guān)鍵零件，在關(guān)節(jié)蛇體結(jié)構(gòu)的孔中伸縮，有一定的行程，因此裝配關(guān)系采用間隙配合，且選擇強度和剛度較大的1Cr13作為其加工材料。設定伸縮桿的行程為10 mm。考慮到A電機控制搖桿，從而操縱頂針在指定位置工作時，需要和其他部件進行滑動摩擦，因而將頂針設計成錐式，見圖6(c)。

4.3 搖桿的設計

搖桿的設計需要考慮其運動時與箱體壁的位置關(guān)系以及形狀、強度剛度、裝配等因素。將其設計成Z形，見圖6(d)。

4.4 絲杠擋板的設計

絲杠擋板的設計需要綜合考慮蛇體控制的方案：實現(xiàn)彎曲時，需要改變蛇體單個(4個中的1個)位置的伸縮桿件的長度；實現(xiàn)伸縮時，則須控制絲杠擋板壓住蛇體杠4個伸縮桿，且要考慮到對頂針的控制。因此將絲杠擋板設計成鏤空形，見圖6(e)。

圖6 主要零件圖

5 運動控制的實現(xiàn)

理想的趨勢是建立蛇體行為庫，根據(jù)攝像頭等傳感系統(tǒng)搜集的前方目標及障礙物信息選擇行為庫，進而進行越障運動。最終決定采用51單片機作為MCU，設計擴展電路驅(qū)動32個關(guān)節(jié)電機，做蛇樣機的運動試驗，控制框圖如圖7所示。所選用的51系列單片機型號為P89V51RD2，進行編程實驗，實現(xiàn)了蛇形機器人在地面的蜿蜒游走運動，見圖8。

圖7 控制框圖

圖8 運動實現(xiàn)圖

6 結(jié)束語

本文實現(xiàn)了一個具有多種運動模式的仿生蛇試驗樣機。采取增加剛性關(guān)節(jié)數(shù)的方案，盡量縮小關(guān)節(jié)的軸向徑向尺寸長度比。目前蛇關(guān)節(jié)長度為112 mm、體寬66 mm、總關(guān)節(jié)數(shù)為16節(jié)。每關(guān)節(jié)工作電流最高達2 A，驅(qū)動蛇體進行彎曲，與其他各關(guān)節(jié)配合動作，1.8 m長的蛇體總功率僅為400 W。目前僅能實現(xiàn)蛇形機器人在平整地形上的水平彎曲蜿蜒、“P2P”模式前進、側(cè)向盤旋等運動體態(tài)。在后續(xù)的發(fā)展中可以添加外部環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測設備，如CMOS攝像頭、壓力傳感器等。CMOS攝像頭用于對外部大環(huán)境的預先監(jiān)測，以調(diào)用相應的行為庫，完成游行任務。壓力傳感器裝載于蛇體的各個關(guān)節(jié)(腹部)，以感應游行過程中所受到的力，詳細分析細微變化的外環(huán)境，優(yōu)化任務執(zhí)行行為。

[1] 陳麗, 王越超, 馬書根, 等. 一種可重構(gòu)蛇形機器人的研究[J]. 中國機械工程, 2003, 14(16): 1351-1353.

[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] 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.

[4] 崔顯世, 顏國正, 陳寅, 等. 一個微小型仿蛇機器人樣機的研究[J]. 機器人, 1999, 21(2): 156-160.

李永梅(1979-)，講師，主要研究方向為微機測控。

Structure Optimization Design of a PR Structure Snake-like Robot

LI Yong-mei，ZHANG Wei-fen，CHI Ying-zi

(ChengxianCollegeofSoutheastUniversity,Nanjing210088,China)

Based on the characteristics of redundant and multi-degree of freedom of bionic snake, the mechanical mechanism of PR structure snake-like robot is proposed. The main feature of this mechanism is its modular joint. Each joint has three degrees of freedom, spring parts are used in joint structure, and each joint has two motors. When the motor has no force, the spring returns to the initial position through the pre-tightening force. No electric and program control are needed, the operation process is greatly simplified. The movement of the robot is more fitting to the surface of external environment, increasing its stability during task execution. Breakthrough functional postures such as axial expansion, back and abdomen bending are achieved.

PR structure; snake-like robot; joint structure; axial expansion

2014-10-21

TP24

A

1008-5300(2015)01-0061-04