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(wěn)定性，使得蛇形機器人在面對未知復雜環(huán)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(tǒng)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(huán)境和人工作業(yè)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(fā)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(fā)展迅速。中國科學院、國防科技大學等國內(nèi)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(guī)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(shù)顯著大于后向的平均摩擦系數(shù)，而左右向的摩擦系數(shù)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(jié)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(jié)組成，負責執(zhí)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(jīng)過綜合考慮，選用垂直正交的關節(jié)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(shù)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(jié)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(jù)serpenoid曲線制作凸輪作為運動的執(zhí)行機構，通過凸輪的旋轉即可得到所需要的運動規(guī)律。

根據(jù)連桿式蛇體，曲線上關節(jié)角（相鄰連桿間的夾角）變化函數(shù)[18]可得到

用常數(shù)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(guī)律。根據(jù)這一規(guī)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(guī)律。根據(jù)結構設計確定凸輪的基圓半徑r，根據(jù)所需擺角θ確定常數(shù)A、擺桿長度l以及圓柱的高h。經(jīng)過實驗選擇各參數(shù)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(guī)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(xiàn)仿生蛇的蜿蜒爬行功能，而使用傳統(tǒng)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(shù)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(chǎn)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(shù)為1，齒數(shù)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(huán)境。蛇頭與蛇身相對獨立，可單獨拆解，之后可根據(jù)需要設計、更換新的蛇頭。

蛇身的正交關節(jié)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(xiàn)在水平面內(nèi)的蜿蜒爬行，同時對環(huán)境的適應程度優(yōu)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(jié)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(jié)，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(xù)將重點研究蛇體空間運動。