試論機(jī)器蛇的行波運(yùn)動(dòng)控制分析與研究

廖秋蘭 張玉玲

摘 要：機(jī)器蛇應(yīng)用仿生原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要應(yīng)用于人類難以觸及的工作領(lǐng)域，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義?；诖耍疚木蜋C(jī)器蛇的行波運(yùn)動(dòng)控制進(jìn)行研究，首先就機(jī)器蛇的設(shè)計(jì)現(xiàn)狀進(jìn)行分析，主要說明機(jī)器蛇的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和系統(tǒng)組成，然后對(duì)機(jī)器蛇的行波運(yùn)動(dòng)原理進(jìn)行詳細(xì)分析，最后通過建立三維模型、求出行波運(yùn)動(dòng)方程、確定運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)、進(jìn)行行波運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，對(duì)課題展開深入的分析和研究。

關(guān)鍵詞：機(jī)器蛇；行波運(yùn)動(dòng)；控制分析

引言：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，仿生機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展速度也越來越快，很多領(lǐng)域都已經(jīng)對(duì)相關(guān)研發(fā)成果進(jìn)行有效的應(yīng)用。機(jī)器蛇作為仿生機(jī)器人中的典型代表，主要對(duì)蛇的體型和運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行模仿，因此運(yùn)動(dòng)效率較高，能夠應(yīng)用于很多人類無法工作的環(huán)境中，但是當(dāng)前機(jī)器蛇行波運(yùn)動(dòng)的研究還不夠深入，無法滿足于復(fù)雜環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)和作業(yè)。為了提升機(jī)器蛇的應(yīng)用水平，研究這一課題是很有必要的。

一、機(jī)器蛇的設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

（一）機(jī)器蛇的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，仿生機(jī)器人逐漸得到廣泛的應(yīng)用，在特殊工作環(huán)境下發(fā)揮重要作用。普通仿生機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模式都由履帶或輪子進(jìn)行控制，而機(jī)器蛇對(duì)蛇的運(yùn)動(dòng)模式進(jìn)行模仿，因此控制的方式也具有獨(dú)特性，可以實(shí)現(xiàn)更加自由的運(yùn)動(dòng)，從而使仿生機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域得到進(jìn)一步拓寬。機(jī)器蛇的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是機(jī)器蛇的身體細(xì)長(zhǎng)，因此可以在狹窄的工作環(huán)境中作業(yè)；二是機(jī)器蛇的環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，因此可以在危險(xiǎn)復(fù)雜的環(huán)境中作業(yè)，例如廢墟搜救、地下探測(cè)等，因此國內(nèi)外對(duì)機(jī)器蛇的研究非常熱門。

（二）機(jī)器蛇的系統(tǒng)組成

機(jī)器蛇整個(gè)體統(tǒng)主要由五個(gè)部分組成，分別是機(jī)械模塊、控制模塊、供電模塊、避障模塊和通信模塊。機(jī)械模塊是機(jī)器蛇的主體部分，主要包括蛇身、蛇頭和蛇尾；控制模塊主要包括主控芯片和從控芯片，是機(jī)器蛇的大腦，指揮機(jī)器蛇的運(yùn)動(dòng)，并從事各項(xiàng)工作；供電模塊主要包括電池模塊和穩(wěn)壓電路，是機(jī)器蛇的動(dòng)能來源，支撐機(jī)器蛇的正常操作；避障模塊包括壓力傳感器和紅外傳感器，主要對(duì)機(jī)器蛇行進(jìn)路線上的障礙產(chǎn)生反應(yīng)，避免機(jī)器蛇撞擊外物受到傷害；通信模塊主要依據(jù)無線傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)操控指令的接收和傳送，保障機(jī)器蛇的有效操控。

二、機(jī)器蛇的行波運(yùn)動(dòng)原理分析

機(jī)器蛇的行波運(yùn)動(dòng)充分應(yīng)用仿生學(xué)的原理，對(duì)生物蛇和部分昆蟲的運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行模擬。一般生物和昆蟲在運(yùn)動(dòng)過程中主要借助肌肉的收縮運(yùn)動(dòng)和伸張運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生動(dòng)能，從而獲得前進(jìn)的動(dòng)力。蛇是一種獨(dú)特的軟體爬行動(dòng)物，在爬行過程中，生物蛇會(huì)以肌肉的靜止部分作為支點(diǎn)，其他部分發(fā)生收縮或伸張，以此獲得前進(jìn)的動(dòng)力，當(dāng)反復(fù)這個(gè)動(dòng)作時(shí)，就形成了生物蛇的行波運(yùn)動(dòng)，因此機(jī)器蛇的仿生也應(yīng)用這種運(yùn)動(dòng)方式，具體來看，需要做到以下幾個(gè)方面：其一，機(jī)器蛇內(nèi)部應(yīng)該具備機(jī)械的聯(lián)合作用，從而通過身體的伸縮和彎曲動(dòng)作改變頭尾之間的距離，獲得向前的動(dòng)能；其二，機(jī)器蛇與地面應(yīng)該具有一定的接觸面積，以此獲得來自地面的反作用力；其三，機(jī)器蛇與地面接觸部分所產(chǎn)生的力和力的方向應(yīng)該是靈活變化的，不能是靜止?fàn)顟B(tài)。

綜上所述，機(jī)器蛇的行波運(yùn)動(dòng)原理是依據(jù)機(jī)器蛇與地面接觸部分所產(chǎn)生的豎直行波實(shí)現(xiàn)機(jī)器蛇的運(yùn)動(dòng)。在行波運(yùn)動(dòng)的過程中，機(jī)器蛇的運(yùn)動(dòng)形態(tài)會(huì)隨著各個(gè)關(guān)節(jié)和接觸面之間的作用力大小和作用力方向而發(fā)生相應(yīng)的改變。機(jī)器蛇與生物蛇相比不會(huì)受到特殊摩擦力的限制，因此運(yùn)動(dòng)的范圍更加廣闊，可以無障礙爬行樓梯、溝壑、管道等復(fù)雜的工作環(huán)境。

三、機(jī)器蛇的行波運(yùn)動(dòng)控制分析

（一）建立三維模型

本論文對(duì)機(jī)器蛇行波運(yùn)動(dòng)的控制分析主要利用建立三維模型的方式，以Webots移動(dòng)機(jī)器人仿真軟件對(duì)機(jī)器蛇的行波運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。建立機(jī)器蛇行波運(yùn)動(dòng)的三維模型主要經(jīng)過以下幾個(gè)步驟：其一，對(duì)機(jī)器蛇行波運(yùn)動(dòng)的環(huán)境進(jìn)行建模；其二，對(duì)機(jī)器蛇的造型進(jìn)行建模；其三，對(duì)模型的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；其四，編寫機(jī)器蛇行波運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的程序；其五，對(duì)機(jī)器蛇行波運(yùn)動(dòng)的控制進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。在Webots移動(dòng)機(jī)器人仿真軟件的伺服舵機(jī)節(jié)點(diǎn)模塊中，將機(jī)器蛇的關(guān)節(jié)設(shè)置為 毫升，由10個(gè)關(guān)節(jié)模塊共同構(gòu)成蛇身，并且由相應(yīng)數(shù)量的舵機(jī)模塊給予驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器蛇各關(guān)節(jié)作用力和作用力方向的變化。

（二）行波運(yùn)動(dòng)方程

對(duì)國內(nèi)外相關(guān)研究文獻(xiàn)進(jìn)行參考，發(fā)現(xiàn)機(jī)器蛇的運(yùn)動(dòng)軌跡呈現(xiàn)正弦變化的關(guān)系，因此可以根據(jù)正弦變化的運(yùn)動(dòng)曲線確定機(jī)器蛇在平面運(yùn)動(dòng)中的行波運(yùn)動(dòng)方程。通過簡(jiǎn)化Serpenoid曲線得到的行波運(yùn)動(dòng)方程如下所示：

（三）確定控制參數(shù)

在確定機(jī)器蛇行波運(yùn)動(dòng)的方程后，需要對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，從而分析控制參數(shù)對(duì)機(jī)器蛇行波運(yùn)動(dòng)的影響。從行波運(yùn)動(dòng)方程可以看到，機(jī)器蛇行波運(yùn)動(dòng)的控制參數(shù)主要有三個(gè)，分別是ω 、α 和β 。其中ω 主要對(duì)機(jī)器蛇的運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行控制，但是在行波運(yùn)動(dòng)的過程中，ω 沒有明顯的影響；α 主要對(duì)機(jī)器蛇行波曲線的幅值造成影響；β 主要影響機(jī)器蛇頭部和尾部各關(guān)節(jié)的相位差。因此綜合來看，α 和β 是影響機(jī)器蛇行波運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)關(guān)鍵控制參數(shù)[1]。

就a 的影響效果進(jìn)行分析：對(duì)a =0.2、0.4、和0.6時(shí)，發(fā)現(xiàn)機(jī)器蛇關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)幅度會(huì)增加，因此相位差也會(huì)相應(yīng)增加，但是 取值過小的話無法為機(jī)器蛇提供足夠的動(dòng)能，取值過大的話會(huì)影響機(jī)器蛇的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因此通過調(diào)整確定a 的取值范圍為0.2到0.9之間。

就β 的影響效果進(jìn)行分析：對(duì) 進(jìn)行不同大小的取值時(shí)，發(fā)現(xiàn)β 會(huì)發(fā)生明顯的變化。因此確定a 的取值在0.2和0.9這一合理范圍內(nèi)，對(duì)β取值為0.5、1.0、1.5、2.0，發(fā)現(xiàn)β在小于0.5的時(shí)候無法形成完整的曲線運(yùn)動(dòng)周期，而隨著取值的增大周期也在不斷增加，當(dāng)超過2后就無法進(jìn)行正常的行波運(yùn)動(dòng)，因此確定β 的取值范圍在0.5和2.0之間。

（四）行波運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)

根據(jù)機(jī)器蛇行波運(yùn)動(dòng)的方程和合理的控制參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)機(jī)器蛇行波運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)進(jìn)行分析和證明。實(shí)驗(yàn)選擇 毫升長(zhǎng)短的機(jī)器蛇，將a在0.2和0.9之間依次取值，將β 在0.5和2.0之間以此取值，最終對(duì)機(jī)器蛇行波運(yùn)動(dòng)的幅值進(jìn)行觀察，證明控制參數(shù)和行波運(yùn)動(dòng)方程滿足控制機(jī)器蛇行波運(yùn)動(dòng)的需求[2]。

結(jié)論：綜上所述，針對(duì)機(jī)器蛇的行波運(yùn)動(dòng)控制的研究是非常必要的。本文主要分析機(jī)器蛇行波運(yùn)動(dòng)的原理，然后通過Webots移動(dòng)機(jī)器人仿真軟件建立三維模型，對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行模擬，并且求出行波運(yùn)動(dòng)方程，確定運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)，最后利用行波運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)對(duì)結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證，探究機(jī)器蛇運(yùn)動(dòng)形狀與各項(xiàng)控制參數(shù)之間的關(guān)系，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的行波運(yùn)動(dòng)控制。希望本文能夠?yàn)檠芯繖C(jī)器蛇的行波運(yùn)動(dòng)控制的相關(guān)人員提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]李東方，李科偉.基于人工勢(shì)場(chǎng)與IB-LBM的機(jī)器蛇水中2D避障控制算法[J/OL].機(jī)器人：1-14.

[2]蔡建羨，于瑞紅.機(jī)器蛇的行波運(yùn)動(dòng)控制分析與研究[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2013，21（01）：106-107+111.

作者簡(jiǎn)介：

廖秋蘭，女 1997年，民族漢，籍貫四川省南充市，學(xué)歷在讀大三，主要研究方向或所學(xué)專業(yè)自動(dòng)化、控制

張玉玲，成都理工大學(xué)

通訊作者：廖秋蘭，成都理工大學(xué)