毕业论文-基于UP-STAR自主巡航蛇形机器人运动分析及舵机控制研究

基于 UP-STAR 自主巡航蛇形机器人运动分析及舵机控制研究 I 摘 要 基于 UP-STAR 自主巡航蛇形机器人的设计制造是基于仿生学的基础之上的。仿生学是生物科学与工程技术相结合的一门综合学科，通过学习、模仿、复制和再造生物系统的结构、功能、工作原理及控制机制，来改进现有的或创造新的机械和仪器系统等，仿生学已经延伸到很多领域并取得了丰富的成果。本文主要对基于 UP-STAR 自主巡航蛇形机器人进行运动分析和舵机控制研究。 文中首先对自然界生物蛇的身体结构和运动形式进行了分析，介绍了蛇类的骨架结构和鳞片功能，并对蛇类常见的四种运动形式进行了分析。 根据生物蛇骨架抽象出的模型设计出了一种正交的蛇形机器人关节结构，在该结构中，舵机分别固定在相邻的关节上，通过舵机轴旋转使相邻关节相对转动。由于采用正交结构，该蛇形机器人可以实现生物蛇常见的蜿蜒运动、摇头运动和抬头运动。 对蛇形机器人的蜿蜒运动、蠕动、翻滚运动、侧向运动做了运动分析，得出了实现相关运动形式所需的关节角度时间函数；对抬头运动进行了分析，通过力矩计算得出了一种所需力矩较小的抬头方式。 此蛇形机器人的舵机选择使用 CDS5500，解决了传统舵机用在机器人上的各种问题，同时继承了传统舵机的各种 优势，并使用其专用调试软件 RobotSevo Terminal 对其进行调试。调试器选择使用 UP-Debugger 多功能调试器，它集成了USB-232，半双工异步串行总线、 AV R I S P 三种功能，体积小巧、功能集成度高，是一种可靠且方便的调试设备。控制器选择使用 MultiFLEX2 控制器，其具有尺寸小，功耗低，价格低；专为机器人设计；支持 NorthSTAR 图形化开发环境；等优势。控制软件选择了 NorthSTAR，它可以用图形化、可视化的方式给机器人编程，同步生成 C 语言代码，在后台编译、并下载到机器人控制器上执行。 关键词 ：蛇形机器人，运动分析，舵机控制 II Abstract Design and manufacture of snake-like robot is based on the basis of bionics. Bionics, biological science and engineering technology combining a comprehensive discipline, through learning, imitation, copy, and recycling of biological system structure, function, working principle and control mechanism, to improve existing or create new systems of machinery and equipment and so on, bionics has been extended to many fields and achieved rich results. In this paper, kinematic analysis of the snake robot and servo control. In the first part of the natural biological snakes body structure and motion analysis form, introduced snake skeleton structure and function scales, and four snakes common form of exercise were analyzed. Abstract framework based on biological models of snakes out of an orthogonal design of snake-like robot joint structure, in this structure, the steering gear in the adjacent joints were fixed, through the steering axis relative rotation of adjacent joints . As a result of the orthogonal structure of the snake-like robot can achieve a common biological snake winding movement, shaking his head movement and the head movement. On the winding snake-like robot motion, creeping, rolling movement, lateral movement to do the movement analysis, the related forms of exercise to achieve the required joint angle time function; on the rise of movement analysis, calculated by moment a smaller rise of torque required way. The snake-like robots servo choose to use CDS5500, to solve the traditional servo robot used in a variety of problems, while inheriting traditional advantages of steering gear, and use its special debugging to debug their software RobotSevo Terminal . Choose to use the debugger function UP-Debugger debugger that integrates USB-232, half-duplex asynchronous serial bus, AVRISP three functions, compact size, features high integration, is a reliable and convenient debugging equipment. Controllers choose to use MultiFLEX2 controller, its small size, low power consumption, low prices; designed for robot design; support NorthSTAR graphical development environment; 基于 UP-STAR 自主巡航蛇形机器人运动分析及舵机控制研究 III other advantages. Control software chosen NorthSTAR, it can be graphically visualized the way to the robot programming, synchronization generate C language code, compiled in the background, and download to the robot controller implementation. Key words： Snake-like robot, motion analysis, steering control 基于 UP-STAR 自主巡航蛇形机器人运动分析及舵机控制研究 I 目 录 第一章 绪 论 . 1 1.1 课题背景及研究的目的和意义 . 1 1.2 国内外研究现状 . 1 1.2.1 国外研究现状 .1 1.2.2 国内研究现状 .5 1.3 本课题的主要研究内容 . 7 第二章 基于 UP-STAR 蛇形机器人的结构设计 . 8 2.1 生物蛇的身体结构及运动形式分析 . 8 2.1.1 生物蛇的身体结构分析 .8 2.1.2 生物蛇的运动形式分析 .9 2.2 生物蛇骨架模型的抽象 . 12 2.3 基于 UP-STAR 蛇形机器人身体关节结构设计 . 13 2.4 基于 UP-STAR 蛇形机器人“蛇足”的设计 . 14 2.5 基于 UP-STAR 蛇形机器人头部关节的设计 . 14 第三章 蛇形机器人的运动分析 . 15 3.1 蛇形机器人的蜿蜒运动分析 . 15 3.2 蛇形机器人的蠕动运动分析 . 17 3.3 蛇形机器人的翻滚运动分析 . 18 3.4 蛇形机器人的侧向运动分析 . 18 3.5 蛇形机器人的抬头运动分析 . 18 第四章 基于 UP-STAR 蛇形机器人舵机的选择 . 21 4.1 舵机简介 . 21 4.2 舵机的原理 . 22 4.3 CDS5500 机器人舵机的主要特色 . 22 第五章 基于 UP-STAR 蛇形机器人的设计及组装 . 23 基于 UP-STAR 自主巡航蛇形机器人运动分析及舵机控制研究 II 5.1 基于 UP-STAR 蛇形机器人的零件构成 . 23 5.2 基于 UP-STAR 蛇形机器人的组装步骤 . 25 第六章 基于 UP-STAR 自主巡航蛇形机器人的控制系统 . 29 6.1 硬件部分 . 29 6.1.1 多功能调试器 .29 6. 1.2 控制器 .30 6.1.3 红外避障传感器 .31 6.2 软件部分 . 32 6.2.1 专用调试软件 RobotSevo Terminal.32 6.2.2 图形化机器人开发环境 NorthSTAR .38 第七章 基于 NORTHSTAR 软件环境开发蛇形机器人 . 41 7.1 蛇形机器人头部的开发 . 41 7.2 蛇形机器人的蜿蜒运动 . 50 7.3 蛇形机器人的多种运动形式组合并加装红外避障传感器 . 53 第八章 结论与展望 . 55 8.1 结论 . 55 8.2 对进一步研究的展望 . 56 参 考 文 献 . 58 致 谢 . 61 附 录 1 基于 UP-STAR 自主巡航蛇形机器人的 C 语言程序 . 62 附 录 2 关节单元三维图 . 82 附 录 3 舵机零件图 . 83 声 明 . 84 基于 UP-STAR 自主巡航蛇形机器人运动分析及舵机控制研究 1 第一章 绪 论 1.1 课题背景及研究的目的和意义 大自然不仅赋予了人类生命和丰富的自然资源，而且其丰富的生命形态给予了人类无穷无尽的启迪。从小鸟的展翅飞翔到先进的飞机、从蝙蝠的夜间飞行到现在的雷达系统，无一不体现了研究生物系统对科学技术发展的重大意义1。蛇形机器人的研究开创了仿生机器人研究的新领域，同时由于蛇形机器人广泛的应用前景，世界上很多国家都十分重视蛇形机器人的研究。 仿生机械学是以力学或机械学作为基础的，综合生物学、医学及工程学的一门综合科学，它贯穿着研究、模拟生物系统的信息处理、运动机能和系统控制，以及在医学及工程中的应用。本课题的目的是通过对生物蛇的身体结构和各种运动形式的研究，在此基础上进行蛇形机器人的设计，并对其进行运动仿真。蛇形机器人可以应用在很多不同的场合：适用于条件非常恶劣而又要求高可靠性的环境，如在有辐射、有粉尘、有毒环境下执行侦察任务和战场上的扫雷、爆破；可以满足在复杂环境中的搜救、侦察、排除爆炸物等反恐任务；在地震、塌方及火灾后的废墟中搜救幸存者；在狭小和危险的条件下探测和疏通管道；航空航天领域可用其作为行星表面探测器、空间站的柔性机械手臂等25。由于其广泛的应用前景，因此蛇形机器人的研究具有十分重要的意义。 1.2 国内外研究现状 蛇形机器人的研究开创了仿生机器人研究的新领域，同时由于蛇形机器人广泛的应用前景，世界上很多国家都十分重视蛇形机器人的研究。下面对蛇形机器人国内外的研究情况进行介绍和分析。 1.2.1 国外研究现状 （ 1）日本蛇形机器人的研究： 上个世纪 70 年代，日本东京工业大学的 Hirose 教授就已经开始了蛇形机器人的研究。 Hirose 教授于 1972 年研制了第一台蛇形机器人（ Active Cord Mechanism-ACM） 。该机器人的总长为 2m，具有 20 个关节，依次靠伺服机构来驱动关节左右摆动，见图 1-1。为了与地面有效地接触，该机器人的腹部安装 基于 UP-STAR 自主巡航蛇形机器人运动分析及舵机控制研究 2 了脚轮。该机器人的最大速度为 40cm/s，只能在平面上运动。 继第一台蛇形机器人之后， Hirose 教授的研究室又先后研制了一系列的蛇形机器人。例如 ACM-R3，见图 1-2，该机器人的参数见表 1-1， ACM-R3 机器人采用完全无线控制的方式，每个关节自带电源，而且 ACM-R3 为三维结构，能够在三维环境中运动和完成复杂的三维动作6,7。 图 1-1 ACM蛇形机器人 图 1-2 ACM-R3 蛇形机器人 表 1-1 ACM-R3 的参数 自由度 尺寸 质量 关节活动范围 输出力矩 20 1755 110 110（ mm） 12.1（ kg） 62.5（） 19.1（ N m） 日本 NEC 公司的 Takanashi 研制了刚性关节连接的蛇形机器人，如图 1-3 所示，该机器人的机构采用了特殊的关节结构，具有 6 个管状的连杆，长 1.4m，直径 42mm，重 4.6kg，能够实现三维空间运动，可以应用在危险情况下的勘察和营救工作8。 基于 UP-STAR 自主巡航蛇形机器人运动分析及舵机控制研究 3 图 1-3 NEC 的蛇形机器人 （ 2） 德国蛇形机器人的研究 德国 GMD 国家实验室研制 1996 年研制出了第一代蛇形机器人，如图 1-4 所示，该机器人由 15 个关节组成，在蛇的前端装有一个头关节。头关节可以携带用于不同传感装置和激励装置的应用程序。该模型上带有用于判断方位的简单的视觉传感器。每一个关节都有单独的从属处理器来控制，所有的从属处理器通过总线连接到中央控制器，由中央处理器来控制它们的协调动作。该蛇形机器人要靠由电缆连接的外部电源工作9。 图 1-4 第一代 GMD 蛇形机器人 在第一代机器人的基础上， GMD 国家实验室于 1998 年开始研究第二代蛇形 基于 UP-STAR 自主巡航蛇形机器人运动分析及舵机控制研究 4 机器人的样机，并于 1999 年完成，见图 1-5。它是由头部、躯干和一个尾关节构成的。它的每一个关节上都有 12 个轮子，同时每一个关节上都有一个 16 位微处理器来控制电机、读取并处理数据。安装在头部的微处理器对蛇的整体动作进行规划和控制，其控制方式为上位机 -总线 -下位机。目前该机器人具有速度和位置反馈，能翻越简单障碍，具有一定的自主反应能力10,11。 （ 3） 美国蛇形机器人的研究 美国宇航局（ NASA）于 1999 年开始研究多关节的蛇形机器人，并在 2000年推出第一代蛇形机器人，计划其在太空中用于行星地表探测以及空间站维护工作，其第一代蛇形机器人如图 1-6 所示，它采用两种互相垂直的模块组成一个蛇形机器人单元。这种机构非常有效，因为在蜿蜒运动的时候，它的左右摆动的模块产生作用；在行波运动时候，它的上下摆动的模块产生作用；侧向运动和翻越障碍物的时候，两种模块一起产生作用就可以实现；由于两模块互相垂直，因此它可以实现翻滚运动。整个蛇形机器人有个总体电脑控制，控制各个模块上的电脑工作。 图 1-5 第二代 GMD 蛇形机器人 图 1-6 NASA 研制的蛇形机器人 美国的 G.Miller 博士从 1987 年开始从事蛇形机器人的研究工作， 到目前为止共设计并制作了 S1,S2,S3,S5 四代机器人，图 1-7 为 S5。其研究已经达到相当高的水平，该机器人的特点是：各个关节形状尺寸不同，高度模拟生物蛇，主要是形态上的高度模拟；为二维结构，无法完成三维空间运动；依靠从动轮而不是摩擦运动，运动速度很高，主要运动方式为游动。 基于 UP-STAR 自主巡航蛇形机器人运动分析及舵机控制研究 5 另外，美国加利福尼亚学院的 Chrikjian 和 Burdick 首次从超冗余度机器人角度，对蛇形机器人的机构和运动理论进行了研究，提出了采用变几何桁架结构(VGT)作为蛇形机器人的基本构架形式。 （ 4） 其它国家蛇形机器人的研究 瑞典的 Nilsson 研制了 PIRAIA 蛇形机器人。 该蛇形机器人采用了特殊的机械结构，具有很大的关节力矩，能够抬的很高12,13。如图 1-8 所示。此外，法国的Bayraktaroglu、意大利的 Poi 等也进行了各有特色的蛇形机构的研制和控制方法的研究。 图 1-7 G.Miller 的 S5 蛇形机器人 图 1-8 Nilsson 的蛇形机器人 1.2.2 国内研究现状 在我国，蛇形机器人的研究才刚刚起步，虽然在国内也逐渐出现了对蛇形机器人研究成功的报道，但国内的研究还大多处于探索阶段。哈尔滨工业大学机器人研究所、 上海交通大学等单位首先进行了蛇形机器人仿生方面的一些研究14,15。上海交通大学于 1999 年 3 月研制了我国第一台微小型仿蛇机器人样机16，该机构由一系列刚性连杆连接而成，步进电机控制相邻两刚性杆之间的夹角，使连杆可以在水平面内摆动，样机底面装有滚动轴承作为被动轮，用以改变纵向和横向摩擦系数之比，其后又相继作了一些相关的理论研究17,18。 2001 年，国防科学技术大学研制了一个蛇形机器人样机19，如图 1-9 所示，该样机不但可以实现平面内运动，而且采用密封外皮后，能在水面上实现蜿蜒运动。但在技术层面上，还 基于 UP-STAR 自主巡航蛇形机器人运动分析及舵机控制研究 6 不十分完善。它的执行单元在结构上仿制了日本 Hirose 的机器蛇结构，在身体下端装有从动轮，以减小身体与地面之间的摩擦，但执行单元只能采用平行连接方式（电机轴线相互平行） ，因此只能完成平面内的螺旋运动，无法进行更深入的研究，这也是它最大的缺点。 中科院沈阳自动化所研究的蛇形机器人是围绕国家 863 计划研究项目“具有环境适应能力的蛇形机器人的研究”展开的。研制出了一种新型的蛇形机器人系统2022，如 图 1-10 所示。该蛇行机器人可实现多种适应环境的平面和空间运动形式，从而为我国星球探测和灾难救援等领域的应用提供技术支持。 苏州大学研制的蛇形机器人如图 1-11 所示，其主要是对蛇的直线运动的模拟，并取得了良好的实验效果，但精度稳定性问题还有待进一步研究23。此外，东北大学等高校也已经开始蛇形机器人的相关研究工作，并取得了一定的成果2426。 图 1-9 国防科学技术大学研制的蛇形机器人 图 1-10 沈阳自动化所研制的蛇形机器人 图 1-11 苏州大学研制的蛇形机器人 基于 UP-STAR 自主巡航蛇形机器人运动分析及舵机控制研究 7 1.3 本课题的主要研究内容 （ 1）生物蛇的身体结构及运动形式的研究 对生物蛇的身体结构和运动形式进行研究。通过对生物蛇的身体结构的研究抽象出骨架模型，从而为蛇形机器人的设计提供指导，通过对运动形式的研究为蛇形机器人的运动规划提供依据。 （ 2）基于 UP-STAR 蛇形机器人的结构设计 通过对生物蛇身体结构的研究，进行蛇形机器人的结构设计，并得出相关的性能参数。 （ 3）基于 UP-STAR 自主巡航蛇形机器人的运动规划及控制 通过对生物蛇的运动形式的研究， 对蛇形机器人的运动形式进行分析与规划，并建立蛇形机器人的控制系统。 基于 UP-STAR 自主巡航蛇形机器人运动分析及舵机控制研究 8 第二章 基于 UP-STAR 蛇形机器人的结构设计 基于 UP-STAR 蛇形机器人的结构设计建立在对自然界生物蛇的身体结构的理论分析之上，通过对生物蛇的身体结构分析，抽象出其骨骼结构，从而进行蛇形机器人的设计。蛇形机器人的结构设计包括身体关节结构、头部关节结构、驱动方案选择、蛇形机器人的整体结构等方面的内容。 2.1 生物蛇的身体结构及运动形式分析 通过对生物蛇的身体结构的分析，抽象出其骨骼结构，为蛇形机器人的设计提供指导；通过对生物蛇的运动形式的分析，得出生物蛇运动过程中身体形状的变化，从而为蛇形机器人的运动规划提供指导。 2.1.1 生物蛇的身体结构分析 蛇是无四肢动物中最庞大的一类，遍布于世界各地，大约有 2500 多种，分为盲蛇科、蟒蛇科、游蛇科、蝰蛇科等 11 个蛇科。广泛的地理分布和悠久的进化历史，充分证明了这一种群的适应性和运动的优越性。蛇类具有十分独特的运动方式，它没有足，但靠躯体的摆动可以在地 面上快速爬行，蛇类爬行的时速为 1.5公里左右。蛇类能做到这一点是与其独特的身体结构密切相关的。虽然蛇类分为很多的种类，但是它们的主要身体结构十分的相似27。 在长期的进化过程中，蛇类体形的变长是通过它自身脊椎骨数量的增加来实现的，这样可以保持身体的柔性。通常脊椎骨多达 200-400 枚。蛇的脊椎骨的一端有个球形的突起，而另一端有个球形凹陷，这样每根脊椎骨的突起可以和相邻脊椎骨的凹陷结合形成一个“球铰” ，如图 2-1 所示。球套关节由一系列的表面形成， 产生有限范围的水平和垂直运动。 对于大多数蛇， 脊骨运动范围为水平 1020，垂直 2 3。虽然关节的活动范围很小，但由于蛇的脊骨数量庞大，通过相邻脊骨间微量变化的叠加就可以实现蛇体构型上的很大调整。 另外，蛇的身体周身覆盖有排列规则的鳞片，其中对运动起重要作用的是腹部鳞片，如图 2-2 所示。自然界中的蛇借助于腹鳞与地面的作用力向前运动，腹鳞的主要特性是蛇在运动时，其法向摩擦系数大于切向摩擦系数，使得蛇在移动时切向摩擦力很小，提高其运动效率。 基于 UP-STAR 自主巡航蛇形机器人运动分析及舵机控制研究 9 图 2-1 蛇的骨架结构图 图 2-2 腹鳞示意图 2.1.2 生物蛇的运动形式分析 在自然界不同的环境中，生存着不同种类的蛇，它们的运动方式也有所不同，总的来说，蛇在没有脚的情况下实现运动，都主要依靠以下器官的作用：数目甚多、彼此关联牢固又灵活的脊椎骨；躯干部几乎每一个椎骨都连接一对肋骨；宽大的腹鳞；与肋骨、椎骨和腹鳞相关的肌肉28。蛇的运动大致可分为以下四种方式： （ 1） 蜿蜒运动 在四种运动方式中使用最多的方式是蜿蜒运动，这种运动酷似游泳的鱼，所以也被称为“游动” 。蛇的身体做“ S”形运动时，肌肉收缩从前部开始，以波动的方式向后方传播，形成一系列的收缩波。造成蛇体的系列弯曲，每个弯曲的外侧面，旦同路上的物体如小石子、草丛等接触，便由于受推压的影响对蛇产生反作用力。同时，在别处产生的推力使蛇从接触点滑过去，于是又产生了摩擦力。这两种力的合力，可分解为纵力和横力，纵力是推动蛇前进的力量，横力是保持蛇体平衡的力29，如图 2-3 所示。 基于 UP-STAR 自主巡航蛇形机器人运动分析及舵机控制研究 10 图 2-3 运动过程中蛇体局部受力图 实验表明，蛇在蜿蜒运动时躯体曲线中形成的波具有局部性，各个波峰、波谷的振幅并不一定完全相等，或者说，运动中的蛇体曲线是好几种基本曲线段的拼合体，具有以下性质： 1)基本曲线段的起点和终点分别为相邻波谷点，即常是直线向前爬行。直线运动蛇形曲线上相邻两极小点； 2)不同基本曲线段可具有不同的弧长； 3)在某一给定时刻，蛇形曲线中包括数个基本曲线段，但并不是每一个基本曲线段都会被完全的形成； 4)蜿蜒运动过程中蛇体的运动近似于正弦波在蛇体上传播，可以证明蛇体的运动方向与正弦波的传播方向相反15。 （ 2） 直线运动 身体粗大的蛇类，例如蟒蛇是依靠肌肉收缩来实现的，肌肉收缩使得腹部鳞片进行齿轮式的活动，皮肤相对骨骼移动，从而实现直线运动的方式，如图 2-4所示。由于伸缩移动的距离非常小，因此直线运动效率非常低。 图 2-4 蛇的直线运动示意图30 基于 UP-STAR 自主巡航蛇形机器人运动分析及舵机控制研究 11 （ 3） 伸缩运动 蛇在通过狭长的管道时，通常采用这种运动方式，如图 2-5 所示蛇类，在运动过程中蛇体腹上为蛇的主要运动方式，此外，蛇类还有一些其他的运动方式，例如钻洞。该运动可分为两个节拍，首先以前部作为支撑，收缩肌肉向前拉动后部，再以后部作为支撑，通过肌肉收缩向前推动前部。 图 2-5 蛇在管道中的伸缩运动 （ 4） 侧向运动 侧向运动方式比较常见于沙漠中，蛇的腹部始终都只有很小一部分与地面接触，避免了腹部与炎热的沙地大面积接触。运动时从头部开始，蛇体各部分顺序接触地面，然后抬起，依次循环，产生一个侧向的运动，如图 2-6 所示。这种运动效率比较高，适合在柔软的沙地运动。以绕身体脊椎的回转、滑行冲击、蠕虫运动等等。 基于 UP-STAR 自主巡航蛇形机器人运动分析及舵机控制研究 12 图 2-6 蛇的侧向运动 2.2 生物蛇骨架模型的抽象 由前面对生物蛇骨架模型的分析可知，蛇的相邻脊椎骨形成一个球套关节，因此可以将生物蛇的身体结构加以简化，把其看做球形铰链组成的多关节空间连杆机构，蛇的运动是依赖这些连杆之间的相对转动与地面摩擦力的作用产生驱动力的。蛇形机器人的关节结构的实现可以有多种形式，例如，可以用简单关节来实现水平面或垂直面内的运动，这种关节结构容易控制，且经济性好；也可以用球窝关节，这种关节虽然可以在水平面内和垂直面内运动，但是制造复杂，而且控制起来也十分困难。 在研究蛇的运动过程中， 发现蛇的水平面内的蜿蜒运动或者垂直面内的蠕动，可以看做是水平面内或垂直面内的只有一个转动机构的二维平面机构。从这种思想出发，可以通过二维平面机构的正交组合，用一种关节形式实现蜿蜒运动和蠕动的运动形式，如图 2-7 所示。而蛇作侧向、翻滚等空间三维运动时，可以将它们看成是两平面内的运动组合而形成的。 图 2-7 抽象出的关节结构简图 基于 UP-STAR 自主巡航蛇形机器人运动分析及舵机控制研究 13 2.3 基于 UP-STAR 蛇形机器人身体关节结构设计 身体关节的结构设计主要考虑到关节的正交结构和电机的安装两个因素，单个关节的模型如图 2-8 所示，关节材料选用铝合金材料，关节尺寸主要根据舵机的安装尺寸确定。关节结构的实物图如图 2-9 所示。 图 2-8 关节结构的三维模型 (a) (b) 图 2-9 关节结构的实物图 (a)、 (b) 基于 UP-STAR 自主巡航蛇形机器人运动分析及舵机控制研究 14 2.4 基于 UP-STAR 蛇形机器人“蛇足”的设计 本文对蛇形机器人的底部安装被动轮子，由于轮子与地面之间的滚动和滑动摩擦系数不同， 蛇体形成运动曲线时受到较大的法向摩擦力和较小的切向摩擦力，它们的合力驱动蛇形机器人实现蜿蜒运动。其优点是运动速度较高。 2.5 基于 UP-STAR 蛇形机器人头部关节的设计 生物蛇的头部骨骼具有特殊的结构，可以吞食比自己身躯大数倍的食物。由于从机械的角度难以完全实现生物蛇的头部功能，因此，本文只对头部的前后、左右转动进行设计，如图 2-10 所示。 (a) (b) (c) 图 2-10 头部运动实物拍摄 (a)、 (b)、 (c) 基于 UP-STAR 自主巡航蛇形机器人运动分析及舵机控制研究 15 第三章 蛇形机器人的运动分析 蛇形机器人的形状控制方法有两种：第一种方法是从生物蛇运动过程中身体曲线的变化规律角度出发，以此来研究蛇形机器人各个关节之间相对转角的变化规律，通过控制关节之间的相对转角达到蛇形机器人的形状控制，该方法简单易行。第二种方法是建立其动力学方程，从动力学角度控制蛇形机器人的形状，该方法需要建立准确的动力学模型，而且需要选择合理的优化指标，因此比较复杂。本章采用第一种方法，从生物蛇运动过程中身体曲线的变化规律出发，对蛇形机器人的蜿蜒、蠕动、翻滚、侧向和抬头运动进行分析，并得出相关运动的关节角度函数，从而为蛇形机器人的控制提供理论依据。 3.1 蛇形机器人的蜿蜒运动分析 蜿蜒运动是生物蛇最常见的运动形式。蛇在运动过程中，由于受到环境的影响，其蛇体曲线很难用准确的数学模型去建立。日本的 Hirose 教授通过对生物蛇的大量研究，提出了 Serpenoid 曲线，该曲线经过实验证明对于蛇形机器人的蜿蜒运动来说是非常有效的。本节将根据蜿蜒运动曲线建立蛇形机器人的形状控制方程，从而得出蜿蜒运动时关节角度的时间函数。 Serpenoid 曲线的定义：在 x-y 平面内，有一条通过坐标原点的曲线，假如该曲线上的任意一点可以表达为式（ 3-1）的形式，那么该曲线就称为蜿蜒运动曲线（ Serpenoid Curve） ： +=sdcbasx0)cos(cos()( （ 3-1） +=sdcbasy0)cos(sin()( 式中 s从起始点到当前点的弧长； a决定了曲线幅度的大小； b决定了曲线的频率和幅度的大小； c决定了整个曲线的偏移形状。 由公式（ 3-1）可以看出， Serpenoid 曲线由三个参数 a、 b、 c 确定， a、 b、 c 基于 UP-STAR 自主巡航蛇形机器人运动分析及舵机控制研究 16 取不同的值可以得到不同的 Serpenoid 曲线3135。参数 a 、 b 、 c 所代表的意义分别为：曲线幅度的大小、曲线的频率和幅度的大小、整个曲线的偏移形状。 本文研究制成的蛇形机器人的蜿蜒运动形式实物图如图 3-1 所示。 图 3-1 蜿蜒状态实物图 基于 UP-STAR 自主巡航蛇形机器人运动分析及舵机控制研究 17 3.2 蛇形机器人的蠕动运动分析 蜿蜒运动的方式虽然效率较高，但在某些特殊的环境下，如狭窄的管道内，由于空间的限制，并不能为蛇形机器人提供蜿蜒运动的条件，因此，蛇形机器人就需要做出蠕动的运动形式向前运动。 假设蛇体的初始状态为一条直线， 蠕动过程得到的仿真结果如图 3-2 （ a）所示，从图中可以看出，经过一个蠕动的过程，蛇形机器人则可以向前行进一点。但是用单个三角波形推进时，蛇形机器人的蠕动效率并不高，为了提高效率，可在蠕动过程中同时拱起和推进多个三角波形，如图 3-2（ b）所示。 （ a）一个三角波形推进时 （ b）两个三角波形推进时 图 3-2 蠕动过程 基于 UP-STAR 自主巡航蛇形机器人运动分析及舵机控制研究 18 3.3 蛇形机器人的翻滚运动分析 蛇形机器人的翻滚运动作为一种特殊的运动方式，可以在特殊的环境下发挥着重要的作用，比如可以用来翻越障碍物和在摩擦系数较小的环境下发挥作用。 当改变蛇体与地面接触的摩擦系数时，即当摩擦系数为 0 时，蛇体只在原地翻滚，当摩擦系数由小变大时，蛇体的翻滚运动并没有多少变化，因此，翻滚运动可以在摩擦系数较小的环境中运动，例如冰面上。由于蛇体中心在翻滚过程中是不断与地面接触 -脱离 -接触的，因此，翻滚运动还可以用来翻越障碍物。由于蛇形机器人的关节较多，翻滚时的效率并不高，要想获得较好的翻滚运动，可以适当的减少关节数目。 由于翻滚运动是依靠关节之间的扭转而实现的， 因此翻滚运动所需力矩较大。 3.4 蛇形机器人的侧向运动分析 侧向运动是沙漠中的蛇常用的运动方式，这种运动方式适合在柔软的沙地中运动。运动过程中蛇体各部分顺序接触地面，然后抬起，依次循环。 侧向运动的方向由两个方向波形传播速度的比值所决定，当垂直面内波形的传播速度等于水平面内的传播速度时，其侧向运动的方向基本沿着水平方向，当垂直面内波形的传播速度大于水平面内的传播速度时，其侧向运动的方向是斜向上的。此外，侧向运动的稳定性由两平面内波形的相位差决定的，相位差较大时，其稳定性也较差。 3.5 蛇形机器人的抬头运动分析 蛇形机器人抬头运动的运动状态主要由三个因素决定：相邻关节之间的最大转动角度、关节的最大静扭矩和关节的最大动扭矩。其中最大静扭矩指的是任何一个关节不失效的情况下，在静止状态下可以承受的最大负载。最大动扭矩指的是关节可以带动的最大负载，其主要受到执行单元中电机特性的限制。因此在抬头运动的规划中，关键就是要尽可能的减小电机的负载，以抬起更多的关节。 蛇形机器人最简单的抬头方法是直接抬起 n 个关节，如图 3-3 所示。这时 n个关节成一条直线，该方法虽然简单，但所需要的驱动力矩也是最大的，由于受到电机最大力矩的限制，这种抬头的方法并不能抬起较多的关节。因此，必须对 基于 UP-STAR 自主巡航蛇形机器人运动分析及舵机控制研究 19 蛇形机器人的抬头运动做出分析以使其抬起更多关节。针对本文所设计的蛇形机器人，假设关节的长度为 l ，质量为 m，蛇形机器人抬头运动可采用如下的过程： （ 1）首先将头部关节抬起到最大关节角的位置，如图 3-4 所示。此时，抬起头部关节所需要的最大力矩为2/m