聶 宇，張 琢，林 蕓

(貴陽(yáng)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，貴州貴陽(yáng)550005)

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一種仿生蛇形機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

聶 宇，張 琢，林 蕓

(貴陽(yáng)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，貴州貴陽(yáng)550005)

蛇形機(jī)器人能夠在復(fù)雜的環(huán)境中運(yùn)動(dòng)。通過(guò)對(duì)蛇的身體結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行分析，對(duì)其骨架進(jìn)行仿真抽象，設(shè)計(jì)了一種采用行星齒輪差動(dòng)結(jié)構(gòu)且具有三自由度的仿生蛇形機(jī)器人。此種結(jié)構(gòu)蛇形機(jī)器人利用舵機(jī)以不同速率轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)行星齒輪差動(dòng)耦合可實(shí)現(xiàn)俯仰、偏航、回轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)，配備以傳感器感知外界環(huán)境，具備驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、傳動(dòng)精度高等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)UG建立了相應(yīng)的虛擬樣機(jī)并分析得出了臨界轉(zhuǎn)角等技術(shù)參數(shù)。

蛇形機(jī)器人 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 骨架抽象 行星齒輪差動(dòng)結(jié)構(gòu)

0 引言

蛇是世界上無(wú)四肢動(dòng)物中最龐大的一類(lèi)，分布在世界上除北極、南極外的各個(gè)地方。蛇的身體具有低重心、高冗余度、高魯棒性、多自由度、良好的穩(wěn)定性等特點(diǎn)，具有復(fù)雜多變的運(yùn)動(dòng)方式。仿生蛇形機(jī)器人是一種在運(yùn)動(dòng)機(jī)理上高度模仿蛇的新型機(jī)器人，其主要靠蛇體和地面之間的摩擦力作用來(lái)驅(qū)動(dòng)蛇體的運(yùn)動(dòng)，而不需要額外的驅(qū)動(dòng)輪、動(dòng)力源或牽引車(chē)來(lái)帶動(dòng)蛇體運(yùn)動(dòng)。仿生蛇形機(jī)器人可以應(yīng)用于戰(zhàn)爭(zhēng)偵查、管道疏通、傷員搜救、醫(yī)療、航天等領(lǐng)域。

國(guó)外蛇形機(jī)器人研究技術(shù)較為成熟。日本東京工業(yè)大學(xué)的Shiego Hirose研制出可以在地面實(shí)現(xiàn)蜿蜒曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的ACM系列蛇形機(jī)器人樣機(jī)[1-2]；德國(guó)GMD 實(shí)驗(yàn)室研制出了共六個(gè)模塊，有水平方向和豎直方向兩個(gè)自由度，從而可以實(shí)現(xiàn)三維空間運(yùn)動(dòng)的GMD -Snake1[3]。國(guó)內(nèi)蛇形機(jī)器人技術(shù)起步較晚，但發(fā)展十分迅速。上海交通大學(xué)的顏國(guó)正、崔顯世研制了我國(guó)第一條蛇形機(jī)器人樣機(jī)[4]；中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所已研制出兩代功能樣機(jī)，其第一代功能樣機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)，每個(gè)模塊具有2自由度[5]；第二代功能樣機(jī)巡視者Ⅱ具有三自由度[6]。國(guó)內(nèi)還有哈爾濱工業(yè)大學(xué)、華南理工大學(xué)等先后投入到對(duì)蛇形機(jī)器人的研究[7-8]。

1 蛇形機(jī)器人的整體方案

在設(shè)計(jì)之初需對(duì)蛇形機(jī)器人進(jìn)行整體方案設(shè)計(jì)(圖1)：首先，對(duì)生物蛇進(jìn)行身體結(jié)構(gòu)分析，了解其運(yùn)動(dòng)方式、運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。其次，通過(guò)對(duì)常用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較，設(shè)計(jì)出合理高效的單元模塊機(jī)械結(jié)構(gòu)。再次，選擇合適的驅(qū)動(dòng)方案，選取好舵機(jī)并采用模塊化的設(shè)計(jì)方式簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程，節(jié)約成本也便于維護(hù)。最后，對(duì)蛇形機(jī)器人進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，得出相應(yīng)的蛇形機(jī)器人技術(shù)參數(shù)。

圖1 整體設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)圖

1.1 蛇形機(jī)器人的組成結(jié)構(gòu)

仿生蛇形機(jī)器人由蛇頭、蛇身、蛇尾三個(gè)部分組成。蛇身部分是蛇形機(jī)器人的主體結(jié)構(gòu)，它由多個(gè)單元模塊串聯(lián)而成，起到保護(hù)機(jī)體、傳遞運(yùn)動(dòng)的作用；蛇頭部分功能為感知外界環(huán)境，安裝有觸覺(jué)傳感器、距離傳感器、力覺(jué)傳感器；蛇尾部分安裝有電池提供動(dòng)力源。

1.2 生物蛇的身體結(jié)構(gòu)分析

蛇的運(yùn)動(dòng)方式極其獨(dú)特，主要靠蛇體的腹部與地面之間的摩擦產(chǎn)生前行的動(dòng)力，其運(yùn)動(dòng)方式多種多樣。蛇的運(yùn)動(dòng)方式是由蛇的身體結(jié)構(gòu)所決定的，蛇沒(méi)有四肢，全身被鱗片所覆蓋，其身體細(xì)長(zhǎng)，蛇身分為蛇頭、蛇身和蛇尾三個(gè)部分，其中軀干部分有多達(dá)200-400塊脊椎骨，這些脊椎骨前后相連。其中前脊椎骨具有球形凹陷，后脊椎骨具有球形突起，前后脊椎骨形成了一種類(lèi)似于球形鉸鏈關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)(圖2)[9]。通過(guò)球形鉸鏈關(guān)節(jié)周?chē)∪獾氖湛s，關(guān)節(jié)間產(chǎn)生的相對(duì)的轉(zhuǎn)動(dòng)。在機(jī)械領(lǐng)域內(nèi)，我們可以使用球鉸副來(lái)代替球形鉸鏈實(shí)現(xiàn)此種運(yùn)動(dòng)(圖3)[10]。將生物蛇的骨架模型簡(jiǎn)單地抽象為一系列由球形鉸鏈連接的桿件組成的簡(jiǎn)單模型(圖4)。

圖2 蛇的肌肉骨骼結(jié)構(gòu)圖[9] 圖3 蛇的脊椎骨結(jié)構(gòu)[10]

1-球形鉸鏈；2-脊椎骨圖4 體骨架抽象模型

1.3 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

1.3.1 蛇形機(jī)器人常見(jiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

現(xiàn)階段科研學(xué)者對(duì)蛇形機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案主要有如下幾種：

(1)平行連接

圖5 設(shè)計(jì)方案示意簡(jiǎn)圖

平行連接(圖5a)是指組成蛇形機(jī)器人的單元模塊間均以轉(zhuǎn)動(dòng)副相連，各轉(zhuǎn)動(dòng)副的軸線(xiàn)互相平行且垂直于縱軸線(xiàn)。其優(yōu)點(diǎn)是單元模塊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制容易、質(zhì)量輕、制造成本低廉。其缺點(diǎn)是只能實(shí)現(xiàn)二維平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，單元模塊結(jié)構(gòu)和蛇體的球形鉸鏈關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)相似度也不高。

(2)正交連接

正交連接(圖5b)是指組成蛇形機(jī)器人的單元模塊間仍為轉(zhuǎn)動(dòng)副，但相鄰轉(zhuǎn)動(dòng)副的軸線(xiàn)相互垂直，且均垂直于蛇形的縱軸線(xiàn)。這種設(shè)計(jì)方案的優(yōu)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)空間的三維平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，且結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，制造成本也相對(duì)低廉。缺點(diǎn)是三維平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)需要兩個(gè)相鄰關(guān)節(jié)間的相互配合，且工作空間不是完整的三維平面。

(3)萬(wàn)向節(jié)連接

萬(wàn)向節(jié)連接(圖5c)是指組成蛇形機(jī)器人的單元模塊均以十字萬(wàn)向節(jié)連接，關(guān)節(jié)的一端能夠向任意方向運(yùn)動(dòng)。萬(wàn)向節(jié)連接構(gòu)型具有完整的三維工作空間和良好的空間運(yùn)動(dòng)靈活性，能滿(mǎn)足復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性要求。但具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難以控制等缺點(diǎn)。

本文綜合平行連接、正交連接、萬(wàn)向節(jié)連接的優(yōu)缺點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上重新設(shè)計(jì)了一種具備3自由度的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，即行星齒輪差動(dòng)結(jié)構(gòu)(圖5d)。

1.3.2 行星齒輪差動(dòng)結(jié)構(gòu)

圖6 球形鉸鏈結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

球形鉸鏈連接是指組成蛇形機(jī)器人的單元模塊間均以球形萬(wàn)向節(jié)連接，關(guān)節(jié)的一端能夠向任意方向運(yùn)動(dòng)。球形鉸鏈(圖6)由球鉸蓋、球鉸座、球鉸組成。球鉸蓋和球鉸座組成一個(gè)球腔，球鉸鑲嵌在球腔內(nèi)，其中θmax為最大獨(dú)立轉(zhuǎn)角。球形鉸鏈具有易保證加工精度、獨(dú)立轉(zhuǎn)角范圍大、間隙小等優(yōu)點(diǎn)，但由于球形鉸鏈制造成本昂貴，且承力性能不強(qiáng)，控制難度大，常用虎克鉸鏈加一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副代替球形鉸鏈[11]。

1-錐齒輪1；2-錐齒輪2；3-錐齒輪3； 4-錐齒輪支撐套； 5-連接架；6-錐齒輪支撐軸圖7 行星齒輪差動(dòng)耦合機(jī)構(gòu)

本文所設(shè)計(jì)的行星齒輪差動(dòng)耦合結(jié)構(gòu)(圖7)，由三個(gè)等距錐齒輪互相耦合，錐齒輪3通過(guò)支撐套4固定在支撐軸6上 。2個(gè)舵機(jī)通過(guò)齒輪組驅(qū)動(dòng)錐齒輪1和2差動(dòng)耦合帶動(dòng)錐齒輪3實(shí)現(xiàn)俯仰與偏航功能 ：當(dāng)兩個(gè)舵機(jī)以相同速率同向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，兩個(gè)傘齒輪驅(qū)動(dòng)連接架做俯仰運(yùn)動(dòng)；當(dāng)兩個(gè)舵機(jī)以相同速率反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，兩個(gè)錐齒輪驅(qū)動(dòng)連接架做偏航運(yùn)動(dòng)；當(dāng)兩個(gè)舵機(jī)以不同的速率轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，兩個(gè)錐齒輪驅(qū)動(dòng)連接架做俯仰和偏航的組合運(yùn)動(dòng)。故此結(jié)構(gòu)可很好的代替虎克鉸功能，且耦合驅(qū)動(dòng)使得驅(qū)動(dòng)力更大；齒輪傳動(dòng)使得傳動(dòng)精度更高。此結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)的俯仰及偏航2個(gè)自由度再加上回轉(zhuǎn)舵機(jī)所能實(shí)現(xiàn)的1個(gè)回轉(zhuǎn)自由度，可實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格意義上的3自由度，運(yùn)動(dòng)空間更大。

1.4 驅(qū)動(dòng)方案

仿生蛇形機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方案多樣，有人工肌肉驅(qū)動(dòng)[12]、電機(jī)驅(qū)動(dòng)[13]等。目前大多數(shù)采用的是伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，本次設(shè)計(jì)采用的是舵機(jī)配以減速齒輪組的驅(qū)動(dòng)方案(圖8)：舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)將力和力矩傳出，經(jīng)由減速齒輪組減速，以提高舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)力和驅(qū)動(dòng)力矩，就能以較小的驅(qū)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)整個(gè)蛇形機(jī)器人樣機(jī)，保證蛇形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)功能的實(shí)現(xiàn)。舵機(jī)選取FUTABA公司所生產(chǎn)的FUTABA S9156[14](圖9)型舵機(jī)。此舵機(jī)的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)速快、驅(qū)動(dòng)力矩大、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊，其主要性能參數(shù)如表1 。

表1 FUTABA S9156型舵機(jī)參數(shù)

2 仿生蛇形機(jī)器人單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 模塊化設(shè)計(jì)

圖10 蛇形機(jī)器人虛擬樣機(jī)

本次設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方法，蛇形機(jī)器人只需在單元模塊設(shè)計(jì)完成之后將單元模塊進(jìn)行有序組裝即可。模塊化設(shè)計(jì)具有三個(gè)顯著的特點(diǎn)：通用性、魯棒性和經(jīng)濟(jì)性。通用性主要表現(xiàn)在未知的環(huán)境下，可以感知環(huán)境并做出決策的可重構(gòu)系統(tǒng)以適應(yīng)各種環(huán)境[15]；魯棒性是指可以利用蛇形機(jī)器人的冗余度和全局反饋補(bǔ)償個(gè)別單元體的誤差，且還具有修復(fù)能力，當(dāng)某一個(gè)單元體失效時(shí)，可以將此單元模塊舍棄，并由剩下的單元體代替完成其原有的功能；經(jīng)濟(jì)性是指蛇形機(jī)器人的單元模塊應(yīng)盡量使用相同的零件，由于相同的模塊設(shè)計(jì)、加工、制造過(guò)程都是相同的，這樣就不需要額外的設(shè)計(jì)加工，從而減少了單元模塊的制造成本，達(dá)到控制成本的目的。

2.2 蛇形機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

蛇形機(jī)器人的單元模塊機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是蛇形機(jī)器人總體設(shè)計(jì)的核心部分(圖10)，本次設(shè)計(jì)采用到的蛇體單元材料主要有45鋼、40Cr、超硬鋁合金。齒輪的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)主要由機(jī)械設(shè)計(jì)[15]確定，選取的齒輪總傳動(dòng)比為2，其中舵機(jī)齒輪和懸臂齒輪傳動(dòng)比為2，懸臂齒輪和傘齒輪傳動(dòng)比為1，依次確定軸承、傳動(dòng)軸、支撐軸、齒輪支撐板、軸承座等相關(guān)尺寸。由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本[16]選取了軸承，之后根據(jù)軸承尺寸設(shè)計(jì)傳動(dòng)軸和支撐軸、連接架、從動(dòng)輪架、從動(dòng)輪等尺寸，其中從動(dòng)輪只起到改變蛇身與地面摩擦系數(shù)的作用。

2.3 蛇形機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)

2.3.1 仿生蛇形機(jī)器人的尺寸及質(zhì)量參數(shù)

蛇形機(jī)器人的單元體尺寸是從回轉(zhuǎn)舵機(jī)轉(zhuǎn)盤(pán)到連接架外端面的直線(xiàn)尺寸，所示蛇形機(jī)器人總長(zhǎng)度為1 809.1 mm。機(jī)器人的質(zhì)量主要包括機(jī)械結(jié)構(gòu)部分質(zhì)量、舵機(jī)質(zhì)量、緊固件質(zhì)量、控制部分質(zhì)量。其中機(jī)械部分的質(zhì)量所占比重最大，機(jī)械部分質(zhì)量在UG中進(jìn)行三維建模后輸入各個(gè)零件的密度之后進(jìn)行質(zhì)量估算。緊固件部分質(zhì)量以200 g計(jì)算，控制部分質(zhì)量以300 g計(jì)算，仿生蛇形機(jī)器人的總體質(zhì)量約為5.213 3 kg，具體參數(shù)如表2所示。

表2 仿生蛇形機(jī)器人的尺寸及質(zhì)量參數(shù)

2.3.2 相鄰關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)范圍

圖11 蛇形機(jī)器人臨界轉(zhuǎn)角示意圖

本文1.3.2對(duì)球形鉸鏈進(jìn)行了闡述，球形鉸鏈中當(dāng)球鉸運(yùn)動(dòng)到一定程度時(shí)會(huì)與球鉸蓋發(fā)生碰撞，無(wú)法繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，球鉸原始位置到極限位置的轉(zhuǎn)動(dòng)角度定義為最大獨(dú)立轉(zhuǎn)角θmax。蛇形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)是由相鄰關(guān)節(jié)間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)從而進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，但是受蛇形機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，相鄰關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍有限，而當(dāng)相鄰關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度達(dá)到某一數(shù)值后，相鄰關(guān)節(jié)之間就會(huì)發(fā)生相互碰撞，從而影響蛇形機(jī)器人的正常運(yùn)動(dòng)。如圖11所示，圖中虛線(xiàn)部分代表單元模塊原始狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)部分表示單元模塊即將發(fā)生碰撞時(shí)的狀態(tài)，本文將此轉(zhuǎn)動(dòng)角度稱(chēng)為臨界轉(zhuǎn)角φ，即∠COD：

(1)

2.4 蛇形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制

本次設(shè)計(jì)的蛇形機(jī)器人具有3個(gè)自由度：俯仰、偏航和回轉(zhuǎn)。每個(gè)單元模型共有3個(gè)舵機(jī)，其中2個(gè)舵機(jī)通過(guò)齒輪組驅(qū)動(dòng)行星齒輪差動(dòng)耦合實(shí)現(xiàn)俯仰與偏航功能，另1個(gè)舵機(jī)實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)功能。由單片機(jī)協(xié)調(diào)控制所有舵機(jī)的動(dòng)作，單片機(jī)給舵機(jī)脈沖信號(hào)，使舵機(jī)根據(jù)信號(hào)輸出不同的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和角位移，舵機(jī)齒輪從而驅(qū)動(dòng)行星齒輪差動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行俯仰或偏航運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人蛇頭部分安裝有反饋運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的力覺(jué)傳感器，從而可以將傳感器采集到的信號(hào)讀回計(jì)算機(jī)進(jìn)行反饋控制，達(dá)到控制相鄰關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)范圍的效果。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)生物蛇的身體結(jié)構(gòu)分析，采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了一種具有行星齒輪差動(dòng)結(jié)構(gòu)的蛇形機(jī)器人，可實(shí)現(xiàn)偏航、俯仰、回轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)，并用UG建立了虛擬樣機(jī)，對(duì)蛇形機(jī)器人的成功研制具備實(shí)用價(jià)值。

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The structure design for a bionic snake-like robot

NIE Yu，ZHANG Zhuo，LIN Yun

Through analysis body structure and motion characteristics of snake and simulation abstraction of its skeletons, a kind of bionic snake-like robot is designed, which adopts differential structure of planetary gear and has three degrees of freedom. This snake-like robot can achieve the pitch, yaw, rotation and other motion, through steering gear driving planetary gear differential coupling at different rate. This snake-like robot is equipped with sensors to perceive the environment, which makes it have strong drive capability and high transmission precision. The critical angle and other technical parameters are get by establishing virtual prototype in UG.

snake-like robot, structure design, skeleton abstraction, differential structure of planetary gear

TH126

A

1002-6886(2016)06-0040-05

聶宇(1991-)，男，貴州畢節(jié)人，助工，學(xué)士學(xué)位，主要研究方向?yàn)榉律咝螜C(jī)器人技術(shù)。 張琢(1985-)，男，貴州思南人，貴陽(yáng)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院講師，哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位，主要研究方向?yàn)榉律鷻C(jī)器人技術(shù)。 林蕓(1965-)，女，貴陽(yáng)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院院長(zhǎng)，教授，西安交通大學(xué)材料工程碩士，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)與選進(jìn)制造技術(shù)。

2016-06-05