方子鳴，陳麗*,，梁為升，范辰運(yùn)，陳紫延，顧中煒，顧文康

一種分布式能量供給的蛇形機(jī)器人研制

方子鳴1，陳麗*,1，梁為升2，范辰運(yùn)1，陳紫延1，顧中煒1，顧文康1

（1.上海工程技術(shù)大學(xué) 航空運(yùn)輸學(xué)院，上海 201620；2.上海安鄔智能科技有限公司，上海 201415）

研制了一種分布式能量供給蛇形機(jī)器人系統(tǒng)，該蛇形機(jī)器人系統(tǒng)由模塊化單元組成，每個(gè)模塊單元集電源、驅(qū)動(dòng)器和傳感器于一體，具備完全自治運(yùn)動(dòng)功能；蛇形機(jī)器人的頭部具有無(wú)線數(shù)據(jù)接口、視覺(jué)和超聲波傳感器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)外數(shù)據(jù)連接和環(huán)境監(jiān)測(cè)；蛇形機(jī)器人的尾部具有充電接口，可實(shí)現(xiàn)為各個(gè)模塊和蛇頭充電。蛇形機(jī)器人具備體積小、重量輕、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。基于總線控制的模塊化結(jié)構(gòu)，可以采用分布式控制方法，實(shí)現(xiàn)蛇形機(jī)器人平面蜿蜒運(yùn)動(dòng)、抬頭、翹尾、側(cè)翻等運(yùn)動(dòng)形式。

蛇形機(jī)器人；分布式能量供給；自治模塊；蜿蜒運(yùn)動(dòng)

當(dāng)代機(jī)器人的研究領(lǐng)域已經(jīng)從結(jié)構(gòu)環(huán)境下的定點(diǎn)作業(yè)中走出來(lái)，向著航空航天、星際探索、軍事偵察攻擊、水下地下管道、疾病檢查治療、搶險(xiǎn)救災(zāi)等非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的自主作業(yè)方面發(fā)展[1-2]。未來(lái)的機(jī)器人需要在人類不能或難以達(dá)到的已知或未知的環(huán)境里工作，而傳統(tǒng)移動(dòng)機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法已不能滿足機(jī)器人的作業(yè)要求，所以變革移動(dòng)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)方式，使其適應(yīng)復(fù)雜的工作環(huán)境，是當(dāng)前機(jī)器人研究的重要方向[3-4]。自然界中無(wú)四肢動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)方式引起了學(xué)者的濃厚興趣和廣泛研究，其運(yùn)動(dòng)方式特點(diǎn)是重心低、與地面有多個(gè)接觸點(diǎn)、具有很高的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和環(huán)境適應(yīng)能力。蛇形機(jī)器人是以蛇為模型而研制的機(jī)器人，它增加了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)步態(tài)，擴(kuò)大了機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域，適合于狹長(zhǎng)管道、松軟表面、凸凹不平地面和沼澤等特殊的工作環(huán)境[5-6]。

1 蛇形機(jī)器人機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀

自從20世紀(jì)70年代開(kāi)始爬行生物的力學(xué)研究，至今蛇形機(jī)器人已經(jīng)成為仿生機(jī)器人研究中的一個(gè)重要分支。日本東京工業(yè)大學(xué)的Hirose[7-8]于1972年研制了第一臺(tái)蛇形機(jī)器人樣機(jī)，它是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的單自由度關(guān)節(jié)串聯(lián)而成，每一關(guān)節(jié)安裝一對(duì)被動(dòng)輪，用以改變機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的縱橫摩擦系數(shù)比；美國(guó)加利福尼亞工學(xué)院的Chrikjian和Burdick[9]提出了采用變幾何桁架結(jié)構(gòu)（Variable Geometry Truss，VGT）作為蛇形機(jī)器人的基本構(gòu)架形式；日本NEC公司的Takanash[10]開(kāi)發(fā)研制了一種由剛性體關(guān)節(jié)相連的蛇形機(jī)器人機(jī)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)三維空間運(yùn)動(dòng)，可以應(yīng)用在危險(xiǎn)情況下的探查和營(yíng)救工作；德國(guó)的Karl[11]研制了一個(gè)柔性蛇形機(jī)器人GMD-snake1，每一單元由兩個(gè)橡膠關(guān)節(jié)組成，且設(shè)有四組驅(qū)動(dòng)裝置（8個(gè)電機(jī)），它可以分別在垂直和水平方向上彎曲運(yùn)動(dòng)；美國(guó)卡耐基梅隆大學(xué)研制了由直流電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的兩自由度關(guān)節(jié)的蛇形機(jī)器人，美國(guó)宇航局對(duì)此機(jī)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，研制了能實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)的蛇形機(jī)器人Snakebot，希望應(yīng)用在星球探索上[12]。

蛇形機(jī)器人的各種機(jī)構(gòu)形式，使其可以實(shí)現(xiàn)多種平面運(yùn)動(dòng)和空間運(yùn)動(dòng)形式[13]。然而目前的蛇形機(jī)器人還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，這主要是因?yàn)樯咝螜C(jī)器人的能源供給問(wèn)題沒(méi)有得到解決。現(xiàn)有的蛇形機(jī)器人大多采用有線連接，或者將電池安裝自蛇形機(jī)器人的某一節(jié)上、采用集中供給的方式，這就導(dǎo)致因蛇體重量分配不均造成系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)不協(xié)調(diào)的問(wèn)題，限制了蛇形機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)程，基于此本論文研制了一種實(shí)現(xiàn)分布式能源供給蛇形機(jī)器人。

2 蛇形器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 蛇形機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)

蛇形機(jī)器人系統(tǒng)由模塊化單元組成，主要包括頭部模塊、身體模塊和尾部模塊三類模塊設(shè)計(jì)，如圖1所示。

A.頭部模塊 B.身體模塊 C.尾部模塊

（1）蛇形機(jī)器人的頭部具有探測(cè)和導(dǎo)航功能，通常配有適用于不同應(yīng)用場(chǎng)景的傳感器和性能好的單片機(jī)，用于環(huán)境識(shí)別和復(fù)雜算法設(shè)計(jì)。

（2）蛇形機(jī)器人的軀干是滿足各種運(yùn)動(dòng)要求的運(yùn)動(dòng)傳遞機(jī)構(gòu)，由多個(gè)靈活可操控的關(guān)節(jié)組成。每個(gè)關(guān)節(jié)上如果具備電機(jī)、電源、電位計(jì)和驅(qū)動(dòng)器則可視為一個(gè)智能模塊，多個(gè)智能模塊互相組合，可重構(gòu)成不同形式的蛇形機(jī)器人。

（3）蛇尾通常具有仿生外形，用于充電、走線等功能。

此外結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還包括具有保護(hù)和運(yùn)動(dòng)雙重功能的仿蛇皮膚研制，以及蛇形機(jī)器人電機(jī)、控制器、傳感器等零部件的設(shè)計(jì)等。

蛇形機(jī)器人的頭部模塊和身體模塊相連，如圖2所示，可以實(shí)現(xiàn)抬頭和左右擺動(dòng)。頭部模塊相對(duì)扁平，除仿生外形外，頭部模塊用于安裝主控制器、傳感器和各類通信接口。

A.頭部模塊 B.身體模塊

2.2 頭部模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

頭部模塊用于安放主控單元，并有視覺(jué)傳感器。頭部模塊由上蓋和下蓋組成，如圖3所示。上蓋左右兩側(cè)設(shè)置若干設(shè)備連接出口，如無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接口、USB接口、HDMI接口、視覺(jué)傳感器接口。下蓋包括螺栓孔、走線孔和減重孔。頭部模塊凹槽可用于安裝基于單片機(jī)設(shè)計(jì)的主控單元和樹(shù)莓派，用于和外界進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和通訊；單片機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和電源線通過(guò)走線孔和后續(xù)身體模塊連接。

A1.上蓋A11.無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接口A12.USB接口A13.HDMI接口 A14.視覺(jué)傳感器接口A2.下蓋A21.螺栓孔A22.減重孔 A23、A24.走線孔A25.凹槽

2.3 軀干模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

身體模塊為蛇的軀干，包括若干個(gè)擺轉(zhuǎn)模塊，身體模塊正交連接，按照運(yùn)動(dòng)平面分為水平擺動(dòng)模塊和垂直擺動(dòng)模塊，如圖4所示。每一擺轉(zhuǎn)模塊均包含能量供給裝置和驅(qū)動(dòng)裝置，包括減速直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)、導(dǎo)線板、U形框架、可充電電池、連接板等。

身體模塊提供運(yùn)動(dòng)傳遞功能，每節(jié)模塊自備可充電能源、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器安裝在蛇身體兩側(cè)，其線路由導(dǎo)線板內(nèi)通過(guò)連接到下一模塊。相鄰兩個(gè)身體模塊通過(guò)連接板正交連接，在保護(hù)線纜的同時(shí)，還分別作為蛇形機(jī)器人和地面接觸的表面。身體模塊的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和充電電池模塊安裝在U形框架內(nèi)，電機(jī)軸可連接電位計(jì)，用于檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角。

2.4 尾部模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

尾部模塊設(shè)計(jì)成逐漸收縮的蛇尾狀，如圖5所示，具有安裝螺栓和充電接口設(shè)計(jì)。通過(guò)螺栓和身體模塊連接，蛇尾末端為電池的充電接口。螺管內(nèi)部可以走線，為蛇形機(jī)器人各部分充電。

C1.安裝螺栓C2.充電孔

3 自治蛇形機(jī)器人系統(tǒng)的研制

完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，進(jìn)行蛇形機(jī)器人的系統(tǒng)研制，包括設(shè)計(jì)蛇形機(jī)器人的本體機(jī)構(gòu)加工、控制器設(shè)計(jì)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)和能源模塊設(shè)計(jì)。要達(dá)到蛇形機(jī)器人遠(yuǎn)程控制，蛇頭安裝視覺(jué)傳感器；為了實(shí)現(xiàn)避障，蛇頭加了超聲波傳感器；為了實(shí)現(xiàn)無(wú)線跟蹤，選擇便攜式高容量的電池，實(shí)現(xiàn)分布式能量供給。

3.1 自治身體模塊集成設(shè)計(jì)

蛇形機(jī)器人軀干的一個(gè)模塊就是一個(gè)智能主體，均有自己的CPU和可充電電池，并能對(duì)自身的傳感器和執(zhí)行器進(jìn)行控制。自治模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)既包括機(jī)械部分又包括電子硬件和控制軟件部分，如圖6所示。結(jié)構(gòu)框架是蛇形機(jī)器人的主體結(jié)構(gòu)，起到傳遞運(yùn)動(dòng)、保護(hù)機(jī)體、裝載部件等功能。關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)是利用司服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，電機(jī)軸有電位計(jì)實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)位置的檢測(cè)，關(guān)節(jié)的每一個(gè)自由度上均需要安裝位置傳感器，驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的位置閉環(huán)運(yùn)動(dòng)。電源控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)充電電池的充電管理。

圖6 蛇形機(jī)器人軀干模塊的主要零部件

蛇形機(jī)器人屬于模塊化機(jī)器人，由大量相同模塊和少量不同模塊構(gòu)成，具有很好的經(jīng)濟(jì)性，可實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)形式。采用單自由度關(guān)節(jié)只能產(chǎn)生水平或垂直平面內(nèi)的擺動(dòng)，通過(guò)正交連接實(shí)現(xiàn)水平和垂直平面復(fù)合運(yùn)動(dòng)，如圖7所示。模塊間的連接通過(guò)減速電機(jī)實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)功能。

圖7 蛇體模塊正交連接

3.2 蛇頭和蛇尾功能模塊設(shè)計(jì)

蛇頭具有總線控制器、蛇頭降壓調(diào)整器和樹(shù)莓派PizeroW，具備攝像頭、USB接口、HDMI接口；蛇尾具有充電接口，如圖8所示。頭部模塊凹槽可用于安裝基于單片機(jī)設(shè)計(jì)的主控單元和樹(shù)莓派，并配有視覺(jué)傳感器接口、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接口、USB接口、HDMI接口，用于和外界進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和通訊；單片機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和電源線通過(guò)走線孔和后續(xù)身體模塊連接。

圖8 蛇頭、蛇尾模塊的設(shè)計(jì)和組成

主控器采用stm32f302，為32位浮點(diǎn)單片機(jī)，可以進(jìn)行控制算法的計(jì)算；驅(qū)動(dòng)控制器用stm8s003，為8位單片機(jī)，除了用于進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)角的控制算法，還可以進(jìn)行關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。蛇頭模塊之間采用485總線進(jìn)行通訊，蛇頭降壓調(diào)整器為主控器提供標(biāo)準(zhǔn)的電壓。

3.3 蛇形機(jī)器人系統(tǒng)集成

蛇形機(jī)器人由8節(jié)組成，如圖9所示，頭部和尾部模塊共計(jì)重877 g、長(zhǎng)96 cm，直徑4.5 cm。集成的身體模塊包括結(jié)構(gòu)框架、減速電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、電位計(jì)、電源控制器和充電鋰電池。自主能量供給單元包括充電電池、電源控制器和充電接口，分布式能源供給使系統(tǒng)小型和輕型化。充電接口在尾部提供標(biāo)準(zhǔn)5 V供電，由能源管理模塊實(shí)現(xiàn)電機(jī)和控制板的供電，電機(jī)的輸出電壓范圍為5～8 V。每節(jié)電池標(biāo)準(zhǔn)為450 mAh/3.7 V，假設(shè)電機(jī)平均電流為120 mA，估計(jì)供蛇形機(jī)器人連續(xù)工作1 h以上。

3.4 蛇形機(jī)器人系統(tǒng)試驗(yàn)

圖9 蛇形機(jī)器人系統(tǒng)

圖10 運(yùn)動(dòng)中的蛇型機(jī)器人

圖11 蛇形機(jī)器人通過(guò)無(wú)線輸出圖像

4 結(jié)論

該蛇形機(jī)器人是一個(gè)能源分布式供給的自治系統(tǒng)，具有獨(dú)立自主控制的能力，其體積小、重心低，與地面有多個(gè)接觸點(diǎn)，具有良好的地面適應(yīng)性、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和隱蔽性。同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)形式，可以適應(yīng)多種作業(yè)環(huán)境。但與主動(dòng)輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)相比，其運(yùn)動(dòng)速度較慢。

蛇形機(jī)器人的大量自由度給運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和控制帶來(lái)挑戰(zhàn)，因此進(jìn)一步應(yīng)研究適用于該類系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和控制算法。由于蛇形機(jī)器人本身具有模塊化的特點(diǎn)，因此是其可重構(gòu)的基礎(chǔ)。進(jìn)一步工作將對(duì)自治模塊進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)各模塊之間自動(dòng)的斷開(kāi)或連接，以形成不同結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，可根據(jù)所需運(yùn)動(dòng)步伐改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，達(dá)到更好的適應(yīng)環(huán)境的運(yùn)動(dòng)。

[1]Nelson W.，Cox I.. Local Path Control for an Autonomous Vehicle[J]. Proc. IEEE Conf. on Robotics and Automation，1988：1504-1510.

[2]Hirose S.，Morishima A. Design and control of a mobile robot with an articulated body[J]. Int. J. of Robotics Research，1990，9（2）： 99-114.

[3]張祺，姚志剛，陳奇. 基于虛擬樣機(jī)的仿鲹科機(jī)器魚(yú)游動(dòng)姿態(tài)仿真研究[J]. 機(jī)械，2019，46（1）：74-78.

[4]張燕超，崔吉. 全方位移動(dòng)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)研究[J]. 機(jī)械，2019，46（3）：18-23.

[5]王智鋒，馬書(shū)根，王越超，等. 基于能量的蛇形機(jī)器人蜿蜒運(yùn)動(dòng)控制方法的仿真與實(shí)驗(yàn)研究[J]. 自動(dòng)化學(xué)報(bào)2011，37（5）：604-605.

[6]盧振利，李斌. 蛇形機(jī)器人蜿蜒游動(dòng)性能動(dòng)力學(xué)仿真分析[J]. 機(jī)器人，2015，37（67）：48-753

[7]Hirose S. Biologically Inspired Robots (Snake-like Locomotor and Manipulator[M]. Oxford University Press，1993.

[8]Hirose S. The Biomechanisms of Snakes[M]. Robotics Research In Hirose-Yoned Laboratory，1997.

[9]Ostrowski J.，Burdick J. The geometric mechanics of undulatory robotic locomotion [J]. Int. J. of Robotics Research，1998，17（7）：683-701.

[10]Paljug E.，Ohm，T.，Hayati S. The JPL serpentine robot：a 12 DOF system for inspection[J]. Proc. IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation，1995：3143-3148.

[11] Paap K L , Dehlwisch M , Klaassen B . GMD-Snake: A Semi-Autonomous Snake-like Robot[M]. Distributed Autonomous Robotic Systems 2. Springer Japan, 1996.

[12] Whittaker, William L. Limbless Locomotion : Learning to Crawl with a Snake Robot[J]. Dissertation Abstracts International, Volume: 60-01, Section: B, page: 0253.;Chair: William L. Whitt，1997，4（4）：3001-3006.

[13]蘇中，張雙彪，李興城. 蛇形機(jī)器人的研究與發(fā)展綜述[J]. 中國(guó)機(jī)械工程，2015，26（3）：414-456.

Development of a Snake Robot with Distributed Energy Supply

FANG Ziming1，CHEN Li1，LIANG Weisheng2，F(xiàn)AN Chenyun1，CHEN Ziyan1，GU Zhongwei1，GU Wenkang1

( 1.School of Air Transportation, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China; 2.Shanghai An Wu Intelligent Technology Co., Ltd., Shanghai 201415, China )

In this paper, an autonomous snake robot system with distributed energy supply is developed. The snake robot system is composed of modular units. Each module unit integrates power, driver and sensor, and has full autonomous motion function. The snake robot head has wireless data interface, visual and ultrasonic sensors for external data connection and environmental monitoring; the charging port at the rear allows charging of individual modules and snake heads. Snake robot has the advantages of small size, light weight and high stability. The distributed control method is used to realize the plane serpenoid motion and special movement forms such as head lifting, tail lifting and side turning of the snake robot.

snake robot；distributed energy supply；autonomous module；serpenoid motion

TP242

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.11.004

1006－0316 (2020) 11－0024－06

2019－12－30

上海市大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目（CS1908002）

方子鳴（1999－），男，河南信陽(yáng)人，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)。*通訊作者：陳麗（1975－），女，黑龍江寧安人，博士，教授，主要研究方向?yàn)闄C(jī)器人控制，E-mail：cl200432@tom.com。