仿蛇形机器人蠕动机构的设计

本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 1 页 共 43 页1 引言机器人的诞生和发展与科学技术革命有着密切的关系，符合科技革命关于生产实践需要的理论。机器人作为一种高技术，也是不断发展和完善的，这种不断的发展和完善是通过科技革命的内在推动力来实现的。同时，机器人的发展和广泛应用，使科学技术成为显见的生产力，极大地推动着科学技术的发展，推动着人民生活的改善，推动着生产力的提高，推动着整个社会的进步。机器人技术作为当今科学技术发展的前沿学科，将成为未来社会生产和生活中不可缺少的角色。机器人，英语为 ROBOT，意思是一种干脏活的人形机器。它体现了人类长期以来的一种愿望，即创造一种像人一样的智能机器，以便能够代替人去进行各种各样的工作。机器人虽然是一个新造词，但关于机器人这一思想的渊源，却可以追溯到遥远的古代。早在我国西周时期，就有能工巧匠侣师制作了一个歌舞“机器人”献给周穆王；公元前 3 世纪，古希腊发明家戴达罗斯用青铜为可里特岛国王迈诺斯塑造了一个守卫宝岛的青铜卫士塔罗斯；我国东汉时期，张衡发明了用于军事的指南车，可以说它是最早的移动机器人雏形 1。 随着科技的发展，18 世纪出现了以蒸汽机发明为标志的第一次技术革命，这引起了古代机器人技术的进步。1893 年 More 制造了“蒸汽人”，它的腰由杆件支撑，靠蒸汽驱动双腿沿圆周运动。以上这些自动玩具或自动作业机的出现均是以当时的科学和技术为基础。用现代的眼光来看，它们的功能是单一的，实现方法是落后的，但它们却代表了当时的最高科技水平 1。20 世纪，人类取得了辉煌的成就，从量子力学、相对论的创立，原子能的应用，脱氧核糖核酸双螺旋结构的发现，到信息技术的腾飞，人类基因工作草图的绘就，世界科学发生了深刻的变革。信息技术、生物技术、新材料技术、先进制造技术、海洋技术、航空航天技术等都取得了重大突破。此时，科学技术化，技术科学化，科学技术密不可分，出现了人类历史上第一次科学与技术的综合性革命现代科技革命圆。 现代机器人是电子工程学、机械学、控制论与控制工程学、计算机科学与工程、人类学、社会学、人工智能、生物学等多学科的集成，所以它是多学科科技革命的必然结果。 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 2 页 共 43 页当时电子计算机已经出现，电子技术也有了长足的发展，产业领域出现了受计算机控制的可编程的数控机床，与机器人相关的控制技术和零部件加工有了扎实的基础。另一方面，人类需要开发自动机械，代替人去从事一些恶劣环境下的工作，比如在原子能的研究过程中，由于存在大量放射性，要求用某种操作机械代替人来处理放射性物质。正是在这一背景下，美国原子能委员会的阿尔贡研究所于 1947 年开发了一种遥控机械手代替人，1948 年又开发了主从机械手。1954 年美国人乔治?德沃尔设计出了第一台可编程(示教再现型)的工业机器人，在此基础上，创建了Un5m 此 on 公司，并于 1962 年生产出来，取名为 Unimate。此机器人在美国通用汽车公司(CM) 投入使用，这标志着第一代机器人的诞生。从此，机器人开始成为社会系统中的一员，影响着社会的发展、科技的进步。从 20 世纪 60 年代初，美国生产出最初的工业机器人，到 20 世纪 80 年代初，机器人技术经历了一个长期缓慢的发展过程。到了 20 世纪 90 年代，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机器人技术也得到了飞速发展。除了工业机器人水平不断提高之外，各种用于非制造业的先进机器人系统也有了长足的进展。现将按工业机器人、特种机器人两条技术发展路线分述机器人的发展进程。从机器人的发展进程可以看出，随着计算机技术、人工智能技术、信息技术等的飞速发展，使机器人在功能和技术层次上有了很大的提高，机器人的视觉、触觉、自主控制等技术就是典型的代表。由于这些技术的发展，推动了机器人概念的延伸。20 世纪 80 年代，将具有感觉、思考、决策和动作能力的系统称为智能机器人，这是一个概括的、含义广泛的概念。这一概念不但指导了机器人技术的研究和应用，而且又赋予了机器人技术向深广发展的巨大空间，水下机器人、空间机器人、空中机器人、地面机器人、微小型机器人等各种用途的机器人相继问世，许多梦想成为了现实。将机器人的单元技术渗透到社会的各个领域形成了各式各样的新机器机器人化机器。当前与信息技术的交互和融合产生了“软件机器人”、“网络机器人”；与纳米技术、分子生物学的交叉和融合又产生了“纳米机器人”；今后也许与克隆技术的结合将会产生“克隆机器人”问。这说明了机器人所具有的创新活力，也说明了客观世界是一个相互作用，相互联系的统一世界。任何一门学科都是对客观世界某一方面或某种运动形式的本质和规律的正确反映，客观世界普遍联系的特征也必然会在各门学科的思想、理论体系中反映出来，同时也决定了各门学科之间的相互联系、相互依赖和相互作用的关系，决定了它们是一个有机联系的科学整体。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 3 页 共 43 页机器人融合了计算机、信息、自动控制、机械、仿生等技术，从而使机器人技术的发展与其它学科的技术发展极为密切。纵观机器人的发展史，我们可以发现机器人是随着其它学科的兴旺发达而呈现出勃勃生机的。在本文中将介绍和研究仿生机器人的一种蛇形机器人。11 仿 蛇 形 机 器 人 的 原 理 及 研 究 热 点机器入学本身就是一个多学科交叉的学科，她需要多方面知识的融合。蛇形机器人作为机器人系统，也需要机构、控制、电子、通讯和智能等各个方面的支撑。本文粗略地将蛇形机器人的主要研究内容分为如下几个方面：蛇的运动原理研究：蛇的运动形式独特，运动姿态复杂。很多学者已经对蛇的运动原理和运动形式做了研究，但绝大部分是从生物角度出发的。近些年随着仿生机器人的发展，机器入学者开始从机器人运动角度来研究蛇的运动原理，这是设计蛇形机器人的前提。蛇形机器人机构：机构设计是蛇形机器人研究的核心和基础。在机构设计阶段，必须综合考虑蛇形机器人的控制方式、电路情况、通讯方式和电源情况。如果要加传感器，必须考虑传感器的信息融合。根据蛇的骨骼结构，目前蛇形机器人的单元大多采用模块化设计，模块化设计节约设计和生产成本，方便维修。如果采用精巧的连接机构和连接电路，蛇形机器人就成为可重构机器人的一种构形状态。蛇形机器人运动形式和运动原理：这方面的研究主要有两个出发点，一个是根据自然蛇的运动状态，研究和提出适合蛇形机器人的运动形式。另一个是根据本身的机械系统建立蛇形机器人的物理模型，提出控制规律，研究蛇形机器人的运动原理。蛇形机器人的控制方法：蛇形机器人具有超多的自由度，对蛇形机器人的控制无论在硬件上还是软件上都是一种挑战。现在，与机构相对应，蛇形机器人的控制一般也采用模块化的设计理念。每个模块化单元都包括控制（软件和硬件）单元。蛇形机器人的环境识别：蛇形机器人要达到应用的目的，必须具有高度的适应性、运动能力。环境是影响蛇形机器人运动的重要因素，同一种运动方式在不同的环境中的运动效果截然不同。例如：在光滑地面上的和粗糙地面上的蜿蜒运动效果相差甚远，尤其是在沙滩上蜿蜒运动简直不能前进。所以必须选择合适的一个或一组传感器来识别环境信息。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 4 页 共 43 页蛇形机器人的智能控制：完成从上层的自主决策到下层的运动控制，使蛇形机器人成为真正意义上的智能机器人，是研究蛇形机器人的最终目标。12 仿 蛇 形 机 器 人 的 研 究 意 义传统的比较早的移动方式大多基于连续转动原理，靠轮子与地面作用实现运动；它的运动效率比较高，它对地面环境要求比较严格，比较适于平坦而质地比较硬的路况；为了增加地面的适应能力，后来出现了履带式，但它还不能充分体现运动的灵活性；这就促进了人们寻找新的运动模式。随着仿生学的发展，人们把目光瞄向了生物界；较早出现的步行机器人是四足的，后来又陆续出现了两足的、六足以及多足机器人，步行机器人在一定程度上提高机器人的地面适应能力，但美中不足，它的稳定性及在松软地面的适应性比较差；于是在 21 世纪 40 年代人们又把目光转向了蛇，开始思索一种新的运动模式“无肢运动” 1。大多数己知生物和运输工具在运动时有一个共性：他们与地面的接触点是变化的；比如人是靠两腿的交替变化行走的；车子是靠车轮在地面上滚动，不停地改变接触点行走的。然而蛇在行进过程中，它的整个身体与地面接触，它与地面的接触点是不变的。从这一点上讲，蛇是一种特例。从运动效率上讲，滚动高于移动，两足高于四足，也就是说随着运动物体与支持面的接触点的增多，它的运动效率也相应的降低，因此蛇的运动效率较其他有肢动物来说，比较低，但从另一角度讲，随着接触点得增多，它对地面得适应能力增强，汽车只能在平坦硬质的地面上行驶，两足的稳定性比较差而且对地面的要求也比四足高，因此蛇适应能力是最强的，它不但可以在崎岖的山路上行走如飞，而且可以在沙漠沼泽地上蜿蜒前进。作为有肢运动和无肢运动的完美结合，当属履带式，虽然其接触面大了，却提高了对松软地面的适应能力，但其仍可简化为两杆系统，相对于蛇这种多杆系统来说，身体柔性明显减弱，不能使用于崎岖不平的山区。按生物进化的观点，任何生命都有存在的理由，都有对其生存环境的适应性，这是千百年来自然选择的产物。在移动机器人领域，也不可能制造一种万能机械，只能根据环境的要求，提出相应的设计方案；任何事物都是有利必有弊，不可能两者兼得，关键是看我们追求的重点。假如追求高效率，那么轮式的是首选；假如追求在非结构化环境的适应性，而对效率要求不高，多杆系统（蛇形机器人）为最佳。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 5 页 共 43 页13 蛇 形 机 器 人 的 优 缺 点 和 用 途虽然蛇形机器人已经表现出了良好的运动能力和适应环境的能力，但是与其它一切事物一样，蛇形机器人也不是十全十美的尤物，它具有很多优点，当然也存在很多不足。因此，蛇形机器人的应用环境和场合也受到一定的限制。1.3.1 蛇 形 机 器 人 的 优 点模仿蛇的身体结构制作的蛇形机器人，不仅具有机构简单的特点，而且调整超冗余的身体使其能够适应环境。蛇形机器人具有蛇的运动特点能够完成以下功能：1)蛇形机器人的超多自由度使其身体具有柔软的特性，能够充分适应地形，完成在粗糙不平地面上的爬行动作。2)蛇形机器人能够将体重平均分配到支撑面上，使其能够在沼泽或者沙地上爬行。这一特性使蛇形机器人能够在强度比较低的平面上运动，例如：地震过后的楼房地板，对抢险救灾的应用十分有利。3)蛇形机器人具有细而长的体形，通过运动学的规划，它能够跨越窄沟和穿过细小的空隙，这是轮式或者腿式移动机器人很难完成的任务。4)将蛇形机器人的一端固定，它可以作为超冗余机械手完成各种复杂的抓取动作。而且其本身的自由度就可以作为操作臂的夹持器来夹持物体，不用象传统工业机器人那样配备相应的夹持器。可以说，蛇形机器人在功能上是个多面手。5) 一般，蛇形机器人采用模块化设计，每个模块都相同，方便安装和维修。特别值得一提的是，近几年来可重构模块化机器人的研究也是机器人研究的一个重要和热点领域。蛇形机器人可以作为可重构模块化机器人的一个基本体。如果在模块上设计合适的连接和断开机构，蛇形机器人就可以变形成各种形式或组成新的机器人，还可以分开成几条蛇形机器人，完成协同作业。也可以随时甩掉自身的一个或几个模块，甩掉无法工作的模块有利于机器人的运动。如果在每个模块上安装特定的传感器，蛇形机器人可以通过在指定位置甩掉模块的办法来布置传感器 1。6)蛇形机器人具有超多的自由度，当机器人的某个或某几个单元不能正常工作时，它仍然能够完成指定任务。因此蛇形机器人具有高度的可靠性和安全性。7)蛇形机器人在完成运动时，所有关节都不需要外露。如果在机器人的外面加上防水或防腐材料使机器人密封，它能够进入有各种泄漏的危险场台作业。也可以像蛇一样在液体环境中游泳，成为水陆两栖机器人，大大扩展了该类机器人的应用本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 6 页 共 43 页范围。8)通常情况下，在运动过程中蛇形机器人的细长而柔软的身体始终接触地面而保持最低的身体重心，使其具有高度的稳定性。而在传统的移动机器人中稳定性是个十分重要而棘手的问题。特别是在腿式移动机器人和轮式移动机器人上，稳定性成为机器人运动控制的核心问题。而在蛇形机器人上，通常不必过分关注蛇形机器人的稳定性，除非执行比较特殊的操作动作。此外，蛇形机器人作为一种超冗余串联机构，通过巧妙规划和设计该机构的构形也可以实现运动，面这些运动形式并不是来源于蛇的运动。当机构中加入被动轮约束的时候，蛇形机器人可以完成在非完整约束情况下的运动控制，从而实现基于物理系统模型条件下的蛇形机器人运动控制，而不是从仿生角度下的运动输入形式。从理论角度解释了蛇的运动或蛇形机器人的运动原理。1.3.2 蛇 形 机 器 人 的 缺 点蛇形机器人的优点众多，但由于身体结构、动力驱动和运动形式的原因，蛇形机器人也存在很多缺点。1)蛇形机器人的超多的自由度使机器人能够完 成各种复杂运动，组成各种构形。但在控制上，给完成超多自由度的软硬件控制的实现带来了巨大的压力。而且太多的自由度给驱动单元运动的驱动器带来巨大的压力。实验表明，蛇形机器人完成三维运动需要单元具有很强的驱动能力；随着自由度数量的增加，对单元驱动能力的要求也增加。即使巧妙设计蛇形机器人机构，解决效果也是很有限的。2)蛇形机器人本身的串联结构和爬行的特点使其无法完成携带物体操作的任务。因为依靠与地面间的摩擦实现运动，它的驱动能力十分有限，根本无法完成拖动物体等负重任务，所以蛇形机器人执行的任务只能限制在去观察、检查现场和完成操作任务。3)在电源供应方面，由于外露面积小，无法有效利用太阳能。目前还无法有效解决宇宙探索中的能量供给问题。即使采用直流电源供电，由于本身的体积较小和爬行运动的运动形式，蛇形机器人无法携带大的电源，严重限制了蛇形机器人的应用和无线操作时间。4)在理想条件下，蛇的最大速度为 3m/s，而通常情况下，蛇的运动速度很低。目前就作者所知，蛇形机器人的运动速度都很低，很难与传统的轮式移动机器人相比。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 7 页 共 43 页1.3.3 蛇 形 机 器 人 的 应 用相对于传统的移动机器人，蛇形机器人具有很多优点，能够应用到很多复杂和危险的环境中。虽然目前蛇形机器人的研究尚处在实验阶段，但蛇形机器人有广泛的应用前景。蛇形机器人可以应用到但不仅仅局限在以下各领域：1)科学探险和状况检查：代替或部分代替人去完成危险环境中的作业是研制机器人的主要目的之一。科学探险是科学家探索大自然奥秘和丰富地质资源的有利手段，但常常因为环境和气候恶劣，无法到达目的地完成指定的探险任务。非结构环境下的作业和运动对机器人的性能和运动形式提出了非常严格的要求。蛇形机器人本身的移动特点和封闭结构有利于应用到科学探险和状况检查。2)防恐防爆和灾难救援：自美国纽约的 911 事件之后，防恐防爆成为各个国家维护国家安全和人民生命财产不受侵害的主题。机器人学的研究人员制作了形式各异的机器人来代替人去完成防恐防爆和救援伤员的任务。蛇形机器人也适合于完成灾难救援任务。特别是蛇形机器人身体的各个部分都与地面接触，对地面的压力均匀而且非常小，适合在灾难后的危险建筑中运动和搜救。这些灾难主要包括：地震、爆炸、地质陷落、龙卷风和火灾等等。3)医疗：设计小型的移动机器人，进入人体器官（如肠道、血管）完成手术和定点给药是机器人研究的一个新的热门领域。如果将蛇形机器人做得非常小，就可以进入人体的肠道完成作业。4)航空航天：神州五号飞船的顺利返航证明了中国在航空航天方面坚实的科学实力。探月工程的启动表明中国政府探索外星系的决心和信心。正像美国的勇气号和机遇号机器人在火星上执行作业一样，探月工程也需要机器人来完成各种作业。蛇形机器人有望在这方面得到应用。5)危险环境作业：能够用身体移动和操作是蛇形机器人有别于其它移动机器人的一大特性。它可以穿越狭小空间、进入危险环境，然后完成操作任务。安装合适的传感器后，也可以应用蛇形机器人来完成排雷任务。6)军事：蛇形机器人本身体形细小，加上合适的伪装后，便于隐身。此外，如果蛇形机器人的每个单元都安装上传感器，那么它可以用甩掉关节的办法来布置传感器，形成一个大型的信息系统。7)作为操作手：将蛇形机器人的一端固定，那么它就变成一个具有冗余自由度本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 8 页 共 43 页的操作手，可以完成复杂的抓取动作。 114 课 题 主 要 研 究 内 容1、对微小型移动机器人行走方式和生物蠕动的运动机理进行一定的研究，设计仿蛇形机器人可行的运动方案。2、在机械 CAD 环境下进行机器人蜿蜒爬行和转向运动的仿真，进行参数化设计。3、利用 CAD 设计软件对仿蛇形机器人蠕动机构进行结构设计，并绘制零件图装配图。4、对仿蛇形机器人的运动进行控制研究，设计基于单片机的控制系统。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 9 页 共 43 页2 蛇 形 机 器 人 的 机 构 设 计21 蠕 动 原 理我们将蛇形机器人简化成一系列杆件按一定顺序用转动副首尾连接而成 79，如图 2-1 所示。图 2-1 蛇形机器人运动前初始状态其中 1，2，3，N 代表了转动副和对应的驱动电机。依靠地面对蛇身体的摩擦力，我们可以利用电机驱动转动副 1，2，3，N 依次转动，使部分蛇身与地面构成一个三角形，如图 2-2 所示图 2-2 三角形的形成假设 l01 与地面间的夹角为 ，则现在的 0 点距离初始点就向前移动了