水下蛇形機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及蜿蜒游動(dòng)研究①

謝亞飛 盧振利 徐惠鋼 波羅瓦茨·布朗尼斯拉夫 李 斌*

(*中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院 徐州 221116) (**常熟理工學(xué)院電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院 常熟 215500) (***中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所 機(jī)器人學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 沈陽(yáng) 110014) (****諾維薩德大學(xué)技術(shù)科學(xué)學(xué)院 諾維薩德 21000， 塞爾維亞)

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水下蛇形機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及蜿蜒游動(dòng)研究①

謝亞飛②***盧振利③*****徐惠鋼**波羅瓦茨·布朗尼斯拉夫****李 斌***

(*中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院 徐州 221116) (**常熟理工學(xué)院電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院 常熟 215500) (***中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所 機(jī)器人學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 沈陽(yáng) 110014) (****諾維薩德大學(xué)技術(shù)科學(xué)學(xué)院 諾維薩德 21000， 塞爾維亞)

仿效自然界蛇在水中的蜿蜒游動(dòng)，設(shè)計(jì)了適于水中蜿蜒游動(dòng)的蛇形機(jī)器人樣機(jī)，并運(yùn)用蛇形曲線對(duì)其蜿蜒游動(dòng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。首先對(duì)蛇形機(jī)器人在水中的受力情形進(jìn)行了分析；其次通過(guò)蛇形曲線控制蛇形機(jī)器人實(shí)現(xiàn)蜿蜒運(yùn)動(dòng)，并用依據(jù)樣機(jī)搭建的動(dòng)力學(xué)模型對(duì)蛇形機(jī)器人蜿蜒游動(dòng)性能進(jìn)行了仿真研究；最終對(duì)比分析了蛇形機(jī)器人在水中蜿蜒游動(dòng)性能實(shí)驗(yàn)與動(dòng)力學(xué)仿真中蜿蜒游動(dòng)性能試驗(yàn)，驗(yàn)證了建模的必要性，為蛇形機(jī)器人的實(shí)用化提供了理論技術(shù)依據(jù)。

蛇形機(jī)器人， 蜿蜒游動(dòng)， 蛇形曲線， 動(dòng)力學(xué)仿真

0 引 言

與傳統(tǒng)的輪式和腿式機(jī)器人相比，蛇形機(jī)器人具有獨(dú)特的運(yùn)動(dòng)方式和身體結(jié)構(gòu)，它能夠通過(guò)身體與接觸環(huán)境摩擦產(chǎn)生前進(jìn)的動(dòng)力[1,2]，而水下運(yùn)動(dòng)的蛇形機(jī)器人相比其它水中機(jī)器人就更具優(yōu)勢(shì)。水下蛇形機(jī)器人是一種高冗余度的移動(dòng)機(jī)器人，它的自由度多于確定空間位置和姿態(tài)所需的自由度，其柔韌的蛇體可以更加靈活地適應(yīng)各種復(fù)雜的水下環(huán)境，適應(yīng)傳統(tǒng)的海底礦藏調(diào)查、輸油管道檢查、鉆井平臺(tái)水下結(jié)構(gòu)檢修、電纜檢查水下機(jī)器人難以到達(dá)或勘探的區(qū)域[3]。因此，水下蛇形機(jī)器人的發(fā)展將成為仿生機(jī)器人領(lǐng)域一個(gè)新的研究熱點(diǎn)，對(duì)于未來(lái)的海洋探索具有廣闊的應(yīng)用前景。

蜿蜒運(yùn)動(dòng)是最能典型地體現(xiàn)蛇身體柔韌、運(yùn)動(dòng)有節(jié)律的步態(tài)[4-7]。對(duì)蛇蜿蜒運(yùn)動(dòng)性能的研究可為蛇在水中高效、高機(jī)動(dòng)地游動(dòng)提供理論依據(jù)及技術(shù)儲(chǔ)備。本研究設(shè)計(jì)了一種能在水中具有二維運(yùn)動(dòng)能力的蛇形機(jī)器人，應(yīng)用蛇形曲線使其產(chǎn)生蜿蜒游動(dòng)，而且通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真軟件建立動(dòng)力學(xué)仿真模型，驗(yàn)證和分析了該蛇形機(jī)器人的蜿蜒游動(dòng)性能。

1 水下蛇形機(jī)器人設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了研究蛇形機(jī)器人在水中的蜿蜒游動(dòng)性能，需要研究其機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及其能否保持在水中運(yùn)動(dòng)步態(tài)的有效性、穩(wěn)定性。這是研究其蜿蜒游動(dòng)的前提。目前國(guó)內(nèi)沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所和國(guó)外日本東京工業(yè)大學(xué)對(duì)水下蛇形機(jī)器人進(jìn)行了研究并取得了顯著的成果[8-10]，設(shè)計(jì)的樣機(jī)如圖1所示?？紤]了蛇形機(jī)器人在水中的漂浮情形，本研究采用16個(gè)輕質(zhì)防水小舵機(jī)(如圖2所示)串聯(lián)構(gòu)成蛇形機(jī)器人基本機(jī)構(gòu)，并添加配重泡沫塊使蛇形機(jī)器人能恰好漂浮于水面。同時(shí)，在水下蛇形機(jī)器人設(shè)計(jì)搭建的過(guò)程中，機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部位的防水性起到至關(guān)重要的作用，一旦漏水有可能導(dǎo)致整個(gè)電控系統(tǒng)的癱瘓。設(shè)計(jì)過(guò)程中采用熱熔膠對(duì)舵機(jī)及控制器等模塊進(jìn)行防水密封保護(hù)。蛇形機(jī)器人機(jī)構(gòu)如圖3所示。

圖1 國(guó)內(nèi)外水下蛇形機(jī)器人

圖2 輕質(zhì)舵機(jī)

圖3 蛇形機(jī)器人

1.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

任何機(jī)器人最核心的部分都是其控制系統(tǒng)，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能的好壞取決于其控制單元的選型與設(shè)計(jì)，蛇形機(jī)器人亦不例外。本文設(shè)計(jì)的水下蛇形機(jī)器人采用Arduino控制器、24路舵機(jī)控制板和藍(lán)牙通訊模塊構(gòu)成控制通訊架構(gòu)。其中Arduino控制器是主控單元作為上位機(jī)，舵機(jī)控制板作為下位機(jī)，控制系統(tǒng)各單元如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)單元

控制系統(tǒng)整體框架如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)框架部分電路如圖6所示。圖6中，Arduino控制器中的TXD和RXD一對(duì)端子是串口端子，分別用以數(shù)據(jù)的傳輸與接收，實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)無(wú)線通訊可用藍(lán)牙模塊替代導(dǎo)線連接。舵機(jī)控制器電路中，VSS為板載供電電壓，VS為舵機(jī)供電電壓，GND為接地，S1,S2,…,S16為舵機(jī)信號(hào)端口，發(fā)送脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，M1,M2,…,M16為16個(gè)舵機(jī)。

圖6 系統(tǒng)部分電路圖

2 動(dòng)力學(xué)模型仿真

2.1 水中受力情形

蛇形機(jī)器人在水中受力情形主要分為兩類：水靜力和水動(dòng)力[11,12]。水靜力包括蛇形機(jī)器人自身的重力和與浸沒(méi)在水中部分體積成正比的浮力。水動(dòng)力由機(jī)器人和流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和物理屬性決定，主要包括附加質(zhì)量力和粘滯阻力。附加質(zhì)量力是蛇形機(jī)器人關(guān)節(jié)在水中擺動(dòng)，水對(duì)其產(chǎn)生的反作用力；粘滯阻力則與模塊形狀、表面材質(zhì)和與水的相對(duì)速度有關(guān)。

2.1.1 蛇形機(jī)器人所受重力

蛇形機(jī)器人所受重力為

G=mg

(1)

式中，m是蛇形機(jī)器人質(zhì)量，g是重力加速度。

2.1.2 蛇形機(jī)器人所受浮力

蛇形機(jī)器人所受浮力為

F浮=-ρgV

(2)

式中，ρ是水的密度，g是重力加速度，V是蛇形機(jī)器人浸沒(méi)在水中的體積。

2.1.3 蛇形機(jī)器人所受附加質(zhì)量力

蛇形機(jī)器人所受附加質(zhì)量力為

Fa=-ρVCaa

(3)

式中，Ca是附加質(zhì)量系數(shù)，a是角加速度。

2.1.4 蛇形機(jī)器人所受粘滯阻力

蛇形機(jī)器人所受粘滯阻力

(4)

式中，V是蛇形機(jī)器人相對(duì)于水的速度，S是蛇形機(jī)器人在水中有效的截面積，Cd是粘滯系數(shù)，其取決于流體狀態(tài)、表面粗糙度。

2.2 動(dòng)力學(xué)仿真建模

在Windows操作系統(tǒng)、酷睿i5處理器、CPU內(nèi)存為2G的操作環(huán)境下，用V-REP軟件ODE動(dòng)力學(xué)引擎進(jìn)行建模，仿真環(huán)境界面如圖7所示。參照蛇形機(jī)器人樣機(jī)參數(shù)，搭建與樣機(jī)基本一致的動(dòng)力學(xué)仿真模型進(jìn)行蜿蜒游動(dòng)的研究。動(dòng)力學(xué)仿真模型中用Cuboid(立方體)設(shè)計(jì)為舵機(jī)模型，Joint(關(guān)節(jié))為舵機(jī)轉(zhuǎn)軸模型。蛇形機(jī)器人單個(gè)舵機(jī)模塊質(zhì)量為9g，最大扭矩為1.6kg·cm，動(dòng)力學(xué)仿真軟件中則相應(yīng)地設(shè)置為0.009kg(見(jiàn)圖8)和0.157N·m(見(jiàn)圖9)。

圖7 仿真操作界面

圖8 剛體動(dòng)力學(xué)屬性

圖9 關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)屬性

蜿蜒游動(dòng)的實(shí)驗(yàn)都是在靜水中執(zhí)行的，盡可能地模擬真實(shí)的環(huán)境，在水環(huán)境的腳本程序中設(shè)置水的流速和波幅為0，蛇形機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型所受浮力和阻力通過(guò)simAddForce指令添加，其中添加的浮力值根據(jù)蛇形機(jī)器人浸沒(méi)在水中的體積計(jì)算，阻力值依據(jù)設(shè)置的粘滯系數(shù)和蛇形機(jī)器人相對(duì)于水的速度而獲得。阻力系數(shù)設(shè)置為-20，因?yàn)樽枇ο鄬?duì)于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向是相反的，所以設(shè)置為負(fù)值。蛇形機(jī)器人動(dòng)力學(xué)仿真模型如圖10所示。

圖10 蛇形機(jī)器人仿真模型

3 蜿蜒游動(dòng)性能研究

蛇形機(jī)器人的蜿蜒游動(dòng)是利用蛇形曲線方程在電源供給不同舵機(jī)按照一定的相位差而擬合成的轉(zhuǎn)動(dòng)，呈現(xiàn)出的運(yùn)動(dòng)效果類似于生物蛇的蜿蜒運(yùn)動(dòng)，模塊與水之間的縱橫向摩擦產(chǎn)生了向前的推動(dòng)游動(dòng)。

3.1 蛇形曲線

本文研究的蜿蜒游動(dòng)是應(yīng)用Hirose教授提出的蛇形曲線產(chǎn)生的。蛇形曲線關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角公式為

(5)

式中，rad[i]為關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，單位為弧度；i為關(guān)節(jié)序號(hào)；α為蛇形曲線起始彎角；kn為蛇形機(jī)器人體內(nèi)形成波個(gè)數(shù)；s為曲線軸線方向位移；N為模塊節(jié)數(shù)；L為蛇形機(jī)器人總長(zhǎng)度。

3.2 蛇形曲線參數(shù)對(duì)蜿蜒游動(dòng)性能的影響

影響蛇形機(jī)器人蜿蜒游動(dòng)性能的主要參數(shù)有：蛇形曲線的起始彎角α，體內(nèi)形成波個(gè)數(shù)kn及單位時(shí)間內(nèi)曲線軸線方向位移變化率Δs。這三個(gè)參數(shù)選取的好壞將直接影響蜿蜒游動(dòng)的性能。實(shí)驗(yàn)中從不同參數(shù)對(duì)蛇形機(jī)器人游動(dòng)速率的影響來(lái)判斷其游動(dòng)性能。平均速率公式為

(6)

式中，S為固定游動(dòng)距離，由于實(shí)驗(yàn)水環(huán)境長(zhǎng)度有限，實(shí)驗(yàn)距離選取為50cm；t為游動(dòng)固定距離所需時(shí)間，仿真中選取的步長(zhǎng)為50ms。

3.2.1 起始彎角α的變化對(duì)蜿蜒游動(dòng)的影響

在參數(shù)kn和Δs不變的情況下，變化α觀其對(duì)蛇形機(jī)器人蜿蜒游動(dòng)步態(tài)的影響。經(jīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，繪制α與游動(dòng)速率的關(guān)系曲線如圖11所示。

圖11 α與游動(dòng)速率關(guān)系

圖11中實(shí)物實(shí)驗(yàn)和仿真實(shí)驗(yàn)均呈現(xiàn)了在合理范圍內(nèi)隨著α的逐漸增大，蛇形機(jī)器人蜿蜒游動(dòng)速率先增大后減小態(tài)勢(shì)。動(dòng)力學(xué)仿真模型相對(duì)精確，基本上與實(shí)體樣機(jī)運(yùn)動(dòng)相吻合。取α為0.8時(shí)，蛇形機(jī)器人在水中運(yùn)動(dòng)過(guò)程如圖12所示，相應(yīng)的仿真運(yùn)動(dòng)如圖13所示。

圖12 α=0.8游動(dòng)過(guò)程

圖13 α=0.8仿真游動(dòng)過(guò)程

3.2.2Δs的變化對(duì)蜿蜒游動(dòng)的影響

在其它參數(shù)不變的前提下，變化Δs研究其對(duì)蜿蜒游動(dòng)的影響。Δs與游動(dòng)速率關(guān)系如圖14所示。

圖14表明：?jiǎn)挝粫r(shí)間軸線方向位移變化率Δs增大的同時(shí)，蛇形機(jī)器人蜿蜒游動(dòng)的速率也隨之增大且變化較明顯。變化率Δs為4時(shí)，蛇形機(jī)器人在水中的蜿蜒游動(dòng)狀態(tài)如圖15所示，相應(yīng)的仿真運(yùn)動(dòng)如圖16所示。

圖14 Δs與游動(dòng)速率關(guān)系

圖15 Δs=4時(shí)游動(dòng)狀態(tài)

圖16 Δs=4時(shí)仿真游動(dòng)狀態(tài)

3.2.3kn的變化對(duì)蜿蜒游動(dòng)的影響

在機(jī)構(gòu)允許的條件下，改變蛇形曲線公式中kn的值，蛇形機(jī)器人蜿蜒游動(dòng)時(shí)體內(nèi)S波的個(gè)數(shù)則發(fā)生改變。不同kn的值對(duì)蜿蜒游動(dòng)速率也產(chǎn)生不同的影響，兩者之間的關(guān)系如圖17所示。

圖17 kn與游動(dòng)速率關(guān)系

從圖17中可知，伴隨體內(nèi)S波個(gè)數(shù)kn的逐漸增大，蛇形機(jī)器人的蜿蜒游動(dòng)速率逐漸減小。當(dāng)kn為0.5這種特殊情形時(shí)，蛇形機(jī)器人姿態(tài)為一個(gè)半弧形，在水中平衡穩(wěn)定性較差，左右擺動(dòng)無(wú)法前進(jìn)。kn取2時(shí)，蛇形機(jī)器人蜿蜒游動(dòng)過(guò)程如圖18所示，相應(yīng)的仿真運(yùn)動(dòng)過(guò)程如圖19所示。

圖18 kn=2時(shí)，蜿蜒游動(dòng)狀態(tài)

圖19 kn=2時(shí)，仿真蜿蜒游動(dòng)狀態(tài)

4 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)搭建了適于水中運(yùn)動(dòng)的蛇形機(jī)器人，運(yùn)用蛇形曲線對(duì)蜿蜒游動(dòng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)與分析，并通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真建模驗(yàn)證了蜿蜒游動(dòng)性能，分別得出了蛇形曲線公式中Δs、α、kn三個(gè)參數(shù)與蛇形機(jī)器人蜿蜒游動(dòng)速率之間的關(guān)系，為研究水下蛇形機(jī)器人蜿蜒游動(dòng)提供了實(shí)驗(yàn)參考。動(dòng)力學(xué)仿真中，由于現(xiàn)實(shí)水環(huán)境的復(fù)雜性，仿真實(shí)驗(yàn)建模仍有欠缺，故與實(shí)際環(huán)境有偏差，這在后續(xù)研究中有待完善。

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Research on underwater snake-like robots’ mechanism design and their serpentine swimming performance

Xie Yafei***， Lu Zhenli*****， Xu Huigang**， Borovac Branislav****, Li Bin***

(*China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116) (**School of Electrical Engineering and Automation, Changshu Institute of Technology, Changshu 215500) (***State Key Laboratory of Robotics, Shenyang Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110014) (****Faculty of Technical Sciences, University of Novi Sad, Novi Sad 21000, Serbia)

Through imitating the serpentine swimming locomotion of natural underwater snakes, a prototypical underwater snake-like robot was designed based on the analysis of its mechanism and control system, and the experimental study on its serpentine swimming locomotion was conducted by using the serpenoid curve. Firstly, the force the snake-like robot suffered was studied and analyzed; Secondly, the serpenoid curve was used to control the snake-like robot and a dynamic model was established for serpentine swimming simulation study by the prototype; Finally, the serpentine swimming performance experiment on the snake-like robot was compared with that on the dynamics simulation to verify the necessity of modeling, thus providing a theoretical basis for practicalizing the technology.

snake-like robot, serpentine swimming, serpenoid curve, dynamic simulation

10.3772/j.issn.1002-0470.2016.06.011

①國(guó)家自然科學(xué)基金(61473283)，機(jī)器人學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(2014-O08)，校新引進(jìn)教師科研啟動(dòng)項(xiàng)目(XZ1306)和中國(guó)-塞爾維亞政府間科技合作委員會(huì)第三屆例會(huì)項(xiàng)目(國(guó)科外字[2015]266號(hào)3-1)資助。

2016-03-14)

②男，1991年生，碩士；研究方向：機(jī)器人智能控制；E-mail: yafei_xie1991@163.com

③通訊作者，E-mail: zhenlilu@cslg.cn