腹鱗功能仿生的蛇形機(jī)器人仿真研究

王云開+席義立+李言民

【摘 要】受益于獨(dú)特的冗余脊骨結(jié)構(gòu)及鱗片皮膚，生物蛇具有極強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)能力。目前受仿生皮膚材料的限制，大多采用雙向被動(dòng)輪實(shí)現(xiàn)鱗片的摩擦各向異性。雙向被動(dòng)輪使蛇形機(jī)器人能方便的前進(jìn)后退，但存在驅(qū)動(dòng)能力差、易打滑問題。因此，基于蛇腹鱗片的摩擦各向異性，提出一種基于棘輪結(jié)構(gòu)的單排單向蛇形機(jī)器人，并在SolidWorks軟件中設(shè)計(jì)了機(jī)械模型。然后在ADAMS軟件中對該機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力進(jìn)行了仿真研究，實(shí)現(xiàn)了蛇形機(jī)器人的直線運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。仿真結(jié)果表明：單排單向蛇形機(jī)器人可以在斜坡上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，具有較好的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。

【關(guān)鍵詞】蛇形機(jī)器人；腹鱗；仿真；單向輪

中圖分類號(hào)： TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2017）35-0075-003

Simulation of Bionic Serpentine Robot with Abdominal Function

WANG Yun-kai1 XI Yi-li2 LI Yan-min3*

（1. Dalian Eighth Middle School， Dalian 116021， Liaoning， China；2. North Valley Electronics Co.， Ltd.， Jinan 251100， Shandong， China；3. China Qingdao Sifang Locomotive and Rolling Stock Co.， Ltd.， Qingdao 266000， Shandong， China）

【Abstract】Benefit from the unique structure of redundant spine and scaly skin， biological snake has a strong ability to exercise. Currently bionic skin material restrictions， mostly using two-way passive wheel to achieve friction anisotropy scales. Two-way passive wheel snake-shaped robot can easily move forward and backward， but there is poor driving ability， easy to slip problem. Therefore， based on the frictional anisotropy of serpentine scales， a single-row， one-way， serpentine robot based on ratchet structure was proposed and a mechanical model was designed in SolidWorks software. Then the simulation of the robot's motion capability in ADAMS software has been carried out to realize the linear motion and steering motion of the serpentine robot. The simulation results show that the single-row one-way serpentine robot can move on the slope with good stability.

【Key words】Serpentine robot； Ventral scales； Simulation； Unidirectional wheel

0 引言

生物蛇可以自由穿梭在山地、叢林、沙漠，甚至是水下，是一種具有極強(qiáng)環(huán)境自適應(yīng)能力的無脊椎生物。自然界中的蛇身體狹長且外形詭異，往往給人一種恐懼的感覺，但同時(shí)，這種靈活的運(yùn)動(dòng)天賦也引起了科學(xué)家們的關(guān)注。因此，研究學(xué)者們從上世紀(jì)開始對生物蛇進(jìn)行仿生，開發(fā)了多種多樣的蛇形機(jī)器人，并期望用于災(zāi)難救援，軍事偵察，太空探測等復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境[1]。

生物蛇的運(yùn)動(dòng)能力一定程度上得益于其獨(dú)特的靈活的骨骼及肌肉結(jié)構(gòu)。蛇是脊椎動(dòng)物，其骨骼分為三種：頭骨、脊骨和肋骨。它的身體狹長而且柔軟，由彼此相連的 200～400 塊脊骨組成。由于蛇的脊骨數(shù)量龐大，通過相鄰脊骨間的微小變化的疊加就可以實(shí)現(xiàn)蛇身體構(gòu)形上的很大調(diào)整。蛇的運(yùn)動(dòng)形式大致分為四類：蜿蜒運(yùn)動(dòng)（Serpentine locomotion），伸縮運(yùn)動(dòng)（Concertina locomotion），直線運(yùn)動(dòng)（Rectilinear locomotion）和側(cè)向運(yùn)動(dòng)（Sidewinding locomotion），其中蜿蜒運(yùn)動(dòng)是最常見且應(yīng)用最廣泛的運(yùn)動(dòng)形式。

國內(nèi)外的學(xué)者從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行仿生研究，設(shè)計(jì)了不同運(yùn)動(dòng)原理的蛇形機(jī)器人。上世紀(jì)七十年代，日本的Hirose教授提出了最早的蛇形機(jī)器人樣機(jī)，具有20個(gè)依靠伺服機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的擺動(dòng)關(guān)節(jié)，且該機(jī)器人的腹部安裝了腳輪以實(shí)現(xiàn)與地面的有效接觸[2]。繼第一臺(tái)蛇形機(jī)器人，Hirose 教授團(tuán)隊(duì)又開發(fā)了雙排被動(dòng)輪、主動(dòng)輪、履帶等形式的二維或三維運(yùn)動(dòng)蛇形機(jī)器人[3]。立命館大學(xué)的馬書根團(tuán)隊(duì)也開發(fā)了多種雙向被動(dòng)輪式蛇形機(jī)器人[4]。美國卡耐基梅隆大學(xué)開發(fā)了無輪式的蛇形機(jī)器人，在側(cè)向運(yùn)動(dòng)及攀爬運(yùn)動(dòng)方面具有更大的優(yōu)勢[5]。在國內(nèi)，中科院沈陽自動(dòng)化研究所較早地開展了研究，并開發(fā)出了單排雙向被動(dòng)輪的二維蛇形機(jī)器人，及雙排被動(dòng)輪的三維蛇形機(jī)器人[6-7]。

從目前研究來看，蛇形機(jī)器人主要采用雙向被動(dòng)輪、主動(dòng)輪或履帶與地面接觸，從而產(chǎn)生摩擦力推動(dòng)蛇形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。主動(dòng)輪或是履帶式的蛇形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)原理與普通地面移動(dòng)機(jī)器人類似，依靠靜摩擦力。雙向被動(dòng)輪式的蛇形機(jī)器人是依靠身體的扭曲擺動(dòng)，從而與地面之間產(chǎn)生側(cè)向摩擦力，這種摩擦力的各向異性促使機(jī)器人可以產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。從仿生觀點(diǎn)看，生物蛇具有獨(dú)特的蛇鱗結(jié)構(gòu)，腹鱗和側(cè)鱗能夠提供蛇摩擦力，從而產(chǎn)生前向運(yùn)動(dòng)。endprint

本文從蛇腹鱗結(jié)構(gòu)特征仿生出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種基于棘輪結(jié)構(gòu)的蛇形機(jī)器人，并在ADAMS動(dòng)力學(xué)軟件中進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真分析。

1 生物蛇鱗片結(jié)構(gòu)分析

生物蛇的鱗片構(gòu)成了堅(jiān)硬的皮膚，由最外層的表皮和真皮生成，在蛇身體保護(hù)和運(yùn)動(dòng)中起到了關(guān)鍵作用。蛇鱗間的著褶縫增加了蛇匍匐爬行的韌性和皮膚強(qiáng)度。因此，分析蛇鱗片有助于蛇形機(jī)器人的仿生設(shè)計(jì)。

蛇鱗片分布位置不同、形狀各異，但從仿生觀點(diǎn)看，蛇的腹鱗和側(cè)鱗都對蛇的靈活運(yùn)動(dòng)起到了關(guān)鍵作用。如圖1所示，分布在蛇腹部（身體正下方）位置的是腹鱗，呈現(xiàn)波紋狀。蛇側(cè)鱗與腹鱗紋理方向一般一致，屬于腹鱗的延伸。因生活方式的不同，腹鱗的形狀、數(shù)量及分布特征并不相同。但其具有共同的摩擦特性，腹鱗和側(cè)鱗使生物蛇向后運(yùn)動(dòng)的摩擦系數(shù)比向前運(yùn)動(dòng)的要高60%以上，即向前容易運(yùn)動(dòng)，向后較難運(yùn)動(dòng)。這種摩擦的各向異性與鱗片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和神經(jīng)信號(hào)對腹鱗姿態(tài)的調(diào)節(jié)具有很大關(guān)系。生物蛇的腹鱗所表現(xiàn)的高驅(qū)動(dòng)摩擦性能和低摩擦阻力為蛇型機(jī)器人仿生“皮膚”的設(shè)計(jì)提供了良好的仿生依據(jù)。

2 蛇形機(jī)器人設(shè)計(jì)與控制模式

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

借鑒蛇腹鱗的摩擦各向異性，提出一種基于棘輪原理的單向輪及模塊化蛇形機(jī)器人。如圖2所示，該蛇形機(jī)器人共包含6節(jié)，具有單排輪和模塊化結(jié)構(gòu)，屬于一種二維平面運(yùn)動(dòng)蛇形機(jī)器人。

如圖3所示，每個(gè)蛇形機(jī)器人模塊包含連接銷孔、單向輪等主要部件。單排輪的結(jié)構(gòu)使單模塊無法穩(wěn)定于地面上，但多個(gè)模塊組合后的蛇形機(jī)器人以其獨(dú)有的蜿蜒步態(tài)可以使其較穩(wěn)定地完成地面運(yùn)動(dòng)。每個(gè)單向輪上安裝有齒式棘輪和與之配合的棘爪。該結(jié)構(gòu)確保被動(dòng)輪只能單方向運(yùn)動(dòng)。

單向輪的蛇形機(jī)器人可以提升其負(fù)載能力，并減少了蜿蜒運(yùn)動(dòng)過程中由于摩擦力不穩(wěn)定而導(dǎo)致的負(fù)載性能下降現(xiàn)象。

2.2 直線與轉(zhuǎn)向控制

蛇形機(jī)器人的蜿蜒運(yùn)動(dòng)控制可以由運(yùn)動(dòng)模塊的一系列有規(guī)律擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)，其運(yùn)動(dòng)控制公式如下：

θi（s）=-2αsin■·sin■s+■i-■+δθ，i=1，2，…，m（1）

其中，m——機(jī)器人關(guān)節(jié)數(shù)；

i——當(dāng)前關(guān)節(jié)數(shù)；

θi（s）——第i個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角；

L——機(jī)器人的總長度；

S——蜿蜒曲線的長度；

α——起始彎角；

Kn——S波形個(gè)數(shù)；

nθ——總節(jié)數(shù)；

δθ——相位偏差角。

在直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，δθ可以設(shè)為0。每一個(gè)關(guān)節(jié)角按照公式（1）依次進(jìn)行控制。在轉(zhuǎn)向狀態(tài)下，每個(gè)關(guān)節(jié)角需要依次增加一個(gè)相位差。因此，需要設(shè)置合適的δθ。

3 ADAMS仿真模型構(gòu)建

3.1 仿真設(shè)計(jì)方法

為了驗(yàn)證蛇形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能，在ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真軟件中構(gòu)建模型并仿真驗(yàn)證。ADAMS動(dòng)力學(xué)軟件使用交互式圖形環(huán)境創(chuàng)建機(jī)械系統(tǒng)幾何模型，包括部件庫、約束庫和力庫。其求解器采用多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論中的拉格朗日方程和凱恩方程方法，建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程，對虛擬傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，并輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線[9-10]。如圖5所示，根據(jù)概念設(shè)計(jì)想法，在SolidWorks軟件中制作單向蛇形機(jī)器人的原理樣機(jī)機(jī)械圖，并將模型導(dǎo)入到ADAMS軟件中，按照傳動(dòng)約束、力約束、控制函數(shù)幾個(gè)部分在用戶界面模塊（ADAMS/View）中依次設(shè)置，利用求解器（ADAM/Solver），最后在后處理模塊（Post Processor）中觀察仿真結(jié)果及動(dòng)畫。

3.2 用戶界面設(shè)計(jì)

將SolidWorks中設(shè)計(jì)完成的單向蛇形機(jī)器人模型導(dǎo)入到ADAMS軟件后，初始化設(shè)置單位、重力等仿真環(huán)境參數(shù)，并且可以通過重力方向的設(shè)置間接改變機(jī)器人的爬坡狀態(tài)。如圖6所示，機(jī)器人相當(dāng)于在30度坡面上運(yùn)動(dòng)。然后，利用Material Type定義機(jī)器人各主要部件為鋁合金材料屬性，定義滾輪為橡膠材料屬性。

從機(jī)器人頭部至尾部，依次對各模塊添加約束。例如，將模塊1和模塊2之間的銷軸之間添加轉(zhuǎn)動(dòng)副，在滾輪和滾輪支架軸之間添加轉(zhuǎn)動(dòng)副，在滾輪與齒輪之間添加固定副。在添加完傳動(dòng)約束后，要對力約束進(jìn)行添加。例如，在齒式棘輪和棘爪之間，以及滾輪和地面之間添加接觸力約束，并設(shè)置摩擦系數(shù)，如表1所示。

如圖7所示，在添加完各種約束后，需要對機(jī)器人系統(tǒng)模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制輸入。分別對模塊間的五個(gè)旋轉(zhuǎn)副添加Motion實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)角運(yùn)動(dòng)控制。最后設(shè)定仿真時(shí)間20s，仿真步長0.05。

3.3 仿真結(jié)果

從仿真結(jié)果顯示，如圖8和圖9所示，單向式的蛇形機(jī)器人可以完成直線運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。因?yàn)榉抡嫫鹗甲藨B(tài)的選擇問題，圖9中的曲線不是嚴(yán)格對稱、閉環(huán)的，但不影響仿真結(jié)果。

4 結(jié)論

本文從生物蛇腹部鱗片仿生的角度從發(fā)，提出一種基于棘輪原理的單排單向輪的蛇形機(jī)器人，并利用SolidWorks和ADAMS軟件設(shè)計(jì)了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真系統(tǒng)。在直線運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)的設(shè)定下，蛇形機(jī)器人可以完成坡面的穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)，為進(jìn)一步的機(jī)器人設(shè)計(jì)和理論分析打下了基礎(chǔ)。

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