應(yīng)用于輻射環(huán)境下的蛇形仿生巡檢機(jī)器人

馬浩鵬?孫振忠?丘強(qiáng)?石宏?鄒佳豪

摘 要：本文介紹了一種應(yīng)用于輻射環(huán)境下的蛇形仿生巡檢機(jī)器人的設(shè)計(jì)，利用仿生物學(xué)以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)原理確定運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，由于是在微量輻射空間的應(yīng)用場(chǎng)景下，選擇了合適的防輻射涂層。提出了一種使其外觀結(jié)構(gòu)整體達(dá)到協(xié)調(diào)統(tǒng)一以及美觀，又確保其自由度空間限度最大化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。本款蛇形仿生巡檢機(jī)器人以防輻射以及巡檢探測(cè)為主要特色。在電子電路層面，選擇使用了技術(shù)相當(dāng)成熟穩(wěn)定的舵機(jī)控制方案，極大地方便了機(jī)器蛇復(fù)雜動(dòng)作的調(diào)試。其設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)了方案選擇、整體驗(yàn)證、初代設(shè)計(jì)、加工組裝、調(diào)試定型等幾步。其中主要工作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其決定了之后蛇形仿生巡檢機(jī)器人的功能性以及靈活穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：蛇形仿生;輻射涂層;舵機(jī);結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

一、引言

本項(xiàng)目面向東莞大朗中國(guó)散裂中子源工程環(huán)境，檢測(cè)科學(xué)儀器運(yùn)行時(shí)內(nèi)部輻射有沒(méi)有泄露以及在附近進(jìn)行相關(guān)科研操作，如果工作人員親自執(zhí)行這個(gè)工作的就容易因?yàn)榉雷o(hù)不當(dāng)而遭受輻射的侵害。因此，研究設(shè)計(jì)一種能替代工作人員在復(fù)雜狹窄的輻射場(chǎng)所近距離完成相關(guān)的輻射檢測(cè)和操作并實(shí)時(shí)反饋現(xiàn)場(chǎng)圖像信息的輻射巡檢機(jī)器人具有重要的意義。外界輻射會(huì)對(duì)核心電子元件產(chǎn)生一定的干擾，所以輻射巡檢機(jī)器人需要對(duì)環(huán)境的輻射值以及其他環(huán)境因素（如：溫度，濕度）進(jìn)行檢測(cè)。并且其外殼需具備一定的防水性能以及抗輻射性能，采用密度低、強(qiáng)度大、高溫穩(wěn)定性好的碳化硼防水防輻射外殼設(shè)計(jì)可使其具有較強(qiáng)的抗干擾能力。同時(shí)由于輻射環(huán)境的特殊性，工作人員無(wú)法將機(jī)器人取出并進(jìn)行人為充電，因此，我們采用了無(wú)線充電技術(shù)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行充電。

作為一種無(wú)腿無(wú)鰭的脊椎動(dòng)物，它的運(yùn)動(dòng)方式是十分獨(dú)特的。無(wú)腿無(wú)鰭的運(yùn)動(dòng)方式?jīng)]有給生物蛇帶來(lái)太多的困擾，相反，這種運(yùn)動(dòng)方式具有非常高的魯棒性以及穩(wěn)定性，使蛇具有多種運(yùn)動(dòng)特征，如：蜿蜒爬行，伸縮運(yùn)動(dòng)，側(cè)向盤(pán)旋行進(jìn)等運(yùn)動(dòng)。蛇形機(jī)器人是仿照生物蛇的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與運(yùn)動(dòng)機(jī)理而研制出的一種高冗余度的仿生機(jī)器人。相對(duì)于足式、輪式及履帶式等類(lèi)型的移動(dòng)機(jī)器人，蛇形機(jī)器人體積較小，運(yùn)動(dòng)形式多樣，具有較強(qiáng)的地面適應(yīng)能力，在災(zāi)后救援、軍事偵察、星際探索等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

本論文首先分析了生物蛇的骨骼結(jié)構(gòu)特征以及其運(yùn)動(dòng)方式，在設(shè)計(jì)前期合理選擇關(guān)節(jié)舵機(jī)，防輻射涂層。其次使用soildworks進(jìn)行三維建模。接著，我們確定了蛇形機(jī)器人以集中式控制系統(tǒng)為中心，并在這個(gè)的基礎(chǔ)上選用了合適的控制硬件，對(duì)無(wú)線充電技術(shù)進(jìn)行了一定的研究并確定其可行性。利用python以及C++語(yǔ)言編寫(xiě)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制程序、傳感器數(shù)據(jù)反饋程序以及圖像采集程序。最終，使用ansys以及進(jìn)行實(shí)物運(yùn)動(dòng)測(cè)試對(duì)機(jī)器人的實(shí)用性以及可行性進(jìn)行了分析驗(yàn)證總結(jié)。

二、蛇形仿生巡檢機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分析與建模

1.生物蛇的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

如圖2.1所示，生物蛇的骨骼由脊椎骨、肋骨以及顱骨各個(gè)部分組成，每?jī)蓚€(gè)脊椎之間通過(guò)一個(gè)球窩結(jié)構(gòu)連接在一起，且其相對(duì)旋轉(zhuǎn)的自由度十分有限，垂直軸上的旋轉(zhuǎn)自由度一般為10°～20°，而水平軸的旋轉(zhuǎn)自由度甚至僅有幾度。蛇的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)便是由如此多的小運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的疊加，是一種高冗余度自由度的結(jié)構(gòu)，因此蛇的脊椎越小，脊椎數(shù)目越多，則其運(yùn)動(dòng)越靈活。蛇的身體形狀變化則是由蛇每側(cè)相對(duì)傾斜的肌肉纖維完成的。另外，蛇皮膚上的鱗片為蛇提供了變化的摩擦特性，對(duì)蛇的向前滑行運(yùn)動(dòng)起著關(guān)鍵性的作用。

2.蛇形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

蜿蜒運(yùn)動(dòng)、伸縮運(yùn)動(dòng)、直線運(yùn)動(dòng)和側(cè)向盤(pán)旋運(yùn)動(dòng)是生物蛇常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)類(lèi)型。

（1）蜿蜒運(yùn)動(dòng)。也稱(chēng)蜷曲運(yùn)動(dòng)，是生物蛇最快且使用頻率最高的運(yùn)動(dòng)，在爬行過(guò)程中，身體形狀呈“S”形，波沿著蛇的身體連續(xù)從頭到尾部向后傳播。依靠著接觸面受到的前進(jìn)方向切向摩擦力與法向摩擦力的不同，不斷推動(dòng)著蛇向前移動(dòng)。但此運(yùn)動(dòng)方式不適合在光滑的平面上進(jìn)行，但在水中以及粗糙平面上，其產(chǎn)生的推力大，阻力較小，效率較高。

（2）伸縮運(yùn)動(dòng)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)范圍受限，空間較為狹窄的時(shí)候，一般采用這種運(yùn)動(dòng)形式。蛇將身后部分彎曲成“S”形借助鱗片形成支撐點(diǎn)，再將身體的前部分向前伸長(zhǎng)，當(dāng)蛇頭完全伸出時(shí)，蛇頭會(huì)彎曲，以形成一個(gè)新的支撐點(diǎn)，使身后部分能夠向前移動(dòng)，不斷循環(huán)該順序運(yùn)動(dòng)即為伸縮運(yùn)動(dòng)。

（3）直線運(yùn)動(dòng)。蛇的直線運(yùn)動(dòng)類(lèi)型速度較慢，效率較低。通常為大型的蛇類(lèi)在圍捕獵物的最后階段中采用的方式。蛇類(lèi)利用不同肌肉群組的收縮與舒張以產(chǎn)生關(guān)節(jié)間微小位移來(lái)前進(jìn)。

（4）側(cè)向盤(pán)旋運(yùn)動(dòng)。側(cè)移運(yùn)動(dòng)是生活在松散沙子區(qū)域的蛇類(lèi)（如響尾蛇）采用的運(yùn)動(dòng)類(lèi)型。蛇類(lèi)從頭部關(guān)節(jié)開(kāi)始，各關(guān)節(jié)依次采取“接地—抬起—接地”的運(yùn)動(dòng)形式，蛇類(lèi)將會(huì)以行進(jìn)方向成45°移動(dòng)，并在地上留下特有痕跡。

（5）蛇形仿生巡檢機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式。生物蛇的運(yùn)動(dòng)與大量的肌肉和神經(jīng)系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)十分復(fù)雜，特別是其側(cè)向盤(pán)旋運(yùn)動(dòng)以及伸縮運(yùn)動(dòng)，因此本項(xiàng)目只針對(duì)蜿蜒運(yùn)動(dòng)以及直線運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析。生物驅(qū)動(dòng)的響應(yīng)以生物電為載體，是分段的。脈沖沿著蛇的身體通過(guò)骨髓向后傳播，依次激活局部肌肉群，使身體各部分彎曲。即蛇的肌肉組織的激活是瞬時(shí)間斷的，在短時(shí)間內(nèi)，只有幾個(gè)特定的肌肉群被激活。因此，我們可以通過(guò)“串行”的電機(jī)指令對(duì)蛇形仿生巡檢機(jī)器人的關(guān)節(jié)進(jìn)行控制。

3.驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件以及防輻射涂層的選用

（1）驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件的選用。作為蛇型機(jī)器人的關(guān)節(jié)，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件的選用需保證蛇型仿生機(jī)器人寬度的勻稱(chēng)度，還需考慮到蛇的控制器體積以及內(nèi)部布線時(shí)所需要的空間，因此選用了最大扭矩為180KG.CM的獅子王舵機(jī)，具體參數(shù)以及舵機(jī)變速箱參數(shù)如下：

（2）防輻射涂層。碳化硼，如圖3所示，有著密度低、強(qiáng)度大、化學(xué)穩(wěn)定性好以及高溫穩(wěn)定性的特點(diǎn)。在陶瓷的增強(qiáng)相，耐磨材料、輕質(zhì)裝甲，反應(yīng)堆中子吸收劑等領(lǐng)域使用較多。除此之外，與金剛石和立方氮化硼相較而言，碳化硼成本低廉，制造容易、因而使用更加廣泛。

由于蛇形仿生機(jī)器人在輻射環(huán)境下工作，輻射對(duì)機(jī)器人控制系統(tǒng)及所帶導(dǎo)航傳感裝置具有很強(qiáng)的干擾性與破壞性，易于出現(xiàn)難以預(yù)料的意外。而在散裂中子源工作環(huán)境中，更多得輻射粒子為中子，碳化硼作為良好的中子吸收劑，可以有效避免電子元件在輻射下?lián)p耗，所以我們可以外露的地方涂上碳化硼以防輻射，從而更好地保護(hù)機(jī)器人及其內(nèi)部的傳感器模塊。

4.蛇形仿生巡檢機(jī)器人的建模

蛇形仿生機(jī)器人的建模包括了兩個(gè)方面的設(shè)計(jì)，分別為：蛇首，蛇身。蛇形仿生巡檢機(jī)器人重約為5kg，長(zhǎng)約為1.5m。3D模型結(jié)構(gòu)圖與實(shí)物圖如圖4、5所示。

蛇首處所需容納的物質(zhì)較多，除了樹(shù)莓派，Arduino兩大主要控制板之外，還要放置視覺(jué)模塊，以及吐信機(jī)構(gòu)。吐信機(jī)構(gòu)由一個(gè)周轉(zhuǎn)舵機(jī)，輻射傳感器微型攝像頭以及兩個(gè)摩擦輪組成，一旦遇到狹窄路段，通過(guò)舵機(jī)提供動(dòng)力，摩擦輪傳動(dòng)，微型攝像頭以及輻射傳感器可深入狹窄環(huán)境探明反饋視頻數(shù)據(jù)以及檢查輻射值數(shù)據(jù)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，擁有較大的容量以及流線型的外觀。由于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，因此采用了通過(guò)增材制造技術(shù)的光敏樹(shù)脂材料并在內(nèi)表面涂覆上碳化硼涂層。

在設(shè)計(jì)蛇形機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)時(shí)，主要設(shè)計(jì)其關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)。蛇身處模仿生物蛇而制作，而肌肉組織的運(yùn)動(dòng)過(guò)程比較復(fù)雜，因此采用了正交關(guān)節(jié)的方式將蛇的首尾連接起來(lái)，這種關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但能實(shí)現(xiàn)各種步態(tài)，而且效率還非常高。關(guān)節(jié)之間留有密封的空室。于空室內(nèi)放置有舵機(jī)控制板，電源以及傳感器，并在其內(nèi)表面涂覆一層碳化硼。同時(shí)，于蛇的底盤(pán)中加上了輔助輪以防止在重力作用下機(jī)器人因?yàn)榫薮蟮幕瑒?dòng)摩擦力而導(dǎo)致磨損。為了盡可能減輕重量，外殼材料采用了由鈑金工藝制作的鋁合金，以及亞克力板。

三、蛇形仿生巡檢機(jī)器人的控制系統(tǒng)

蛇形仿生巡檢機(jī)器人的控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，采用了一塊由STM32芯片控制的舵機(jī)控制板，一塊Arduino UNO板與一塊樹(shù)莓派控制板組成。

舵機(jī)控制板為動(dòng)作控制核心，上位機(jī)編程可簡(jiǎn)化編程，并分擔(dān)一定的數(shù)據(jù)處理壓力，通過(guò)接受Arduino的信號(hào)，對(duì)舵機(jī)進(jìn)行直接控制。Arduino UNO作為中繼控制器，一方面接受傳感器，如溫濕度傳感器、輻射傳感器的數(shù)據(jù)，通過(guò)串口通訊的方式，將數(shù)據(jù)發(fā)送給樹(shù)莓派。另一方面接受樹(shù)莓派的指令，將數(shù)據(jù)發(fā)送給舵機(jī)控制器，間接控制舵機(jī)的動(dòng)作。樹(shù)莓派作為頂層控制器，用戶通過(guò)遠(yuǎn)程連接可直接連接到其linux系統(tǒng)，通過(guò)指令讀取其接受到的傳感器信息，以及發(fā)送數(shù)據(jù)給Arduino UNO控制器，間接控制舵機(jī)的動(dòng)作，與此同時(shí)，樹(shù)莓派的圖像處理功能比較完善，圖像處理，與圖像反饋的功能由其處理控制。

1.傳感器的數(shù)據(jù)反饋，控制，以及圖像采集

傳感器的數(shù)據(jù)反饋與圖像采集在ssh服務(wù)與wifi連接的條件下，在PC端的虛擬機(jī)中的Linux系統(tǒng)與樹(shù)莓派系統(tǒng)互聯(lián)，在終端上輸入一系列代碼獲取樹(shù)莓派中的數(shù)據(jù)或者發(fā)送控制指令。

傳感器的數(shù)據(jù)反饋：在連接完成狀態(tài)下，在新開(kāi)的終端輸入指令確認(rèn)，在彈出一個(gè)窗口中會(huì)顯示一系列的傳感器數(shù)據(jù)值，如圖6所示。該窗口每隔一秒會(huì)顯示溫濕度，每隔一分鐘會(huì)顯示輻射值（CPM? 單位：次/分鐘），20CPM以下為正常環(huán)境下的輻射值，當(dāng)輻射值超過(guò)20CPM說(shuō)明輻射值超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值，對(duì)人體將有一定的危害。

動(dòng)作控制：在終端中輸入指令，啟動(dòng)服務(wù)后將出現(xiàn)一窗口，如圖7所示，可由鍵盤(pán)輸入特定的指令使蛇形仿生機(jī)器人進(jìn)行特定的動(dòng)作，可執(zhí)行蜿蜒爬行，前進(jìn)，后退等11個(gè)常規(guī)動(dòng)作指令。

圖像采集：機(jī)器人的圖像顯示模塊共兩個(gè)：一個(gè)為蛇眼部位的攝像頭，負(fù)責(zé)寬闊環(huán)境下的視覺(jué)信息反饋，一個(gè)為蛇信處的微型窺探攝像頭，負(fù)責(zé)蛇身無(wú)法進(jìn)入的狹小路段的圖像處理。如圖8所示，為處于蛇眼部位的攝像頭所采集的數(shù)據(jù)，可自動(dòng)識(shí)別物體，以及顏色識(shí)別。

四、結(jié)語(yǔ)

本論文采用了蛇形仿生結(jié)構(gòu)解決了輪式機(jī)器人難以適應(yīng)崎嶇路面和小階梯的缺點(diǎn)，提高了機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境下的機(jī)動(dòng)性。加入了兩大視覺(jué)識(shí)別模塊，提高了工作人員對(duì)環(huán)境的辨識(shí)度。而檢測(cè)環(huán)境溫濕度以及輻射量，可以大大降低救援和工作的風(fēng)險(xiǎn)。在重要的內(nèi)表面涂上碳化硼，可以很好地防輻射，保護(hù)機(jī)器人自身。

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“廣東大學(xué)生科技創(chuàng)新培育專(zhuān)項(xiàng)資金”資助：項(xiàng)目號(hào)Pdjhb0493）