蛇形机器人使用说明书

1、UP-SolidS nake蛇形机器人教学实验系统使用说明书北京博创科技2005 年 12 月、八 、前言本说明书以仿生机器蛇为背景，从项目开发的角度，来讲述机器蛇项目设 计过程中所涉及的技术知识， 更重要的是通过介绍机器蛇的各种设计过程， 讲述 典型机电一体化项目开发的有关知识。我们给机器蛇起了一个有趣的名字 Solid Snake （刚体蛇），即是以机械结 构等刚体构建柔性的机器蛇。本机器蛇说明书，希望能够达到以下几点目的：通过机器蛇介 绍 ，大家 能够对 SolidSnake 有个总体了 解，并 清楚SolidSnake 的结构设计、运动 研究 、控制系统 等方面的内容。通过机器蛇 使用

2、说明，大家能够 组装制作 机器蛇，并能够 操纵机器蛇完成 一定形式的运动，另外，能够通过 预留的接口，自己编程控制机器蛇。目录 § 1 机器蛇介绍§1.1 研究概况；§1.2 结构设计 ；§1.3 运动 研究；§1.4 控制系统 设计§ 2 机器蛇使用说明§2.1 装配 说明；§2.2 控制机器蛇运动 ；§2.3 编程控制机器蛇 ；§ 1 机器蛇介绍;仿生机器人的研究是目前机器人领域里比较活跃 的一个方向，目前已有各种 各样的仿生机器人面世，像机械昆虫、机器鸟、机器鱼、机械蟹等等。生物 界中蛇是

3、一种极为特殊的生物，它的运动形式非常的特别。蛇没有脚，他怎么就 能向前 走”了呢？这个看似简单的问题，从古代便吸引了众多人的注意。亚里士 多德就曾经在他 关于动物运动的文章中讨论过蛇向前运动的原因。但直到20世 纪中期以前，许多人的理论都很偏驳，他们认为蛇是靠他们的脚”（鳞片）来向 前运动的。近20年来。随着机器人学兴起，特别是仿生机器人的活跃，蛇运动的研究， 机器蛇的研制,已成为仿生领域的研究热点。蛇形机器人在战场上的扫雷，爆破, 矿井和废墟中探测营救，管道维修以及外行星地表探测等条件恶劣，且要求有高 可靠性的领域有着广阔的应用前景。另外，研究仿生机器人，特别是蛇形机器人的本身会有很大的乐趣

4、，当你看 到刚体的金属或者塑料结构在控制下变得有柔顺而富有生命时，那种喜悦是难以 言表的。我们充分考虑了蛇类生物的运动特点，从仿生学的角度，结合机器人动力学 和摩擦学等的相关理论，建立了蛇的行波运动学模型，并研制了自己的机器蛇样 机一一SolidSnake ，并利用SolidSnake 实现了蛇的蠕动、游动、侧移、侧 滚、抬头、翻越障碍物等运动形式。SolidSnake 利用垂直和水平方向正交的关节来拟和蛇类生物柔软的身体, 每两个正交的关节组成一个单元体，每个单元体相当于一个万向节，具有两个方 向的自由度，整体形成一个高冗余度的结构体。这样的机构设计使蛇体具有向任 何方向弯曲的能力。在电路设

5、计上采用 分布式底层运动控制 一一高层中枢决策”的控制逻辑， 通过RS232总线通讯。上位机为PC机控制，PC机可以控制主机，调用运动 模式库，实现对solid snake- II的高层控制；也可直接控制solid snake 的各个关节，实时的改变任意关节的状态，实现底层控制。SolidS nakeSOLID SNAKE的主要技术参数：参数单元体长度全长1直径净重最大速度平均功耗值110mm0.98m50mm；1kg8-10m/mi n25W§ 1.1近代国内外研究概况;日本的 Shigeo Hirose 在 1972年的时候研制了 ACM,算是比较早的 一仿生学的角度研究机器蛇的

6、。近年, 一个有兴趣的博士生对ACMIII进行 了改进研究，实现了效果非常好的运 动。美国宇航局(NASA) NASA于 1999年开始研究多关节的蛇形机器 人，计划在其太空计划中用于行星地 表探测以及空间站维护工作。其第一 代蛇形机器人如图所示。它采用相邻 正交的串联机构，由中央计算机集中 控制。该机器人能完成蠕动前进，游 动前进，翻越简单障碍物等功能。该 蛇形机器人结构简单合理，对目前的 蛇形机器人结构产生了很大的影响。图2蛇形机器人S5德国GMD国家实验室也开发出 了基于模块式结构和CAN总线的蛇形 机器人，其结构为三维关节，每关节 有三个电机及六个力矩传感器，六个 红外传感器，因此结构

7、相当复杂，直 径达20cm左右。其控制方式为上位 机?e总线？P下位机。目前该机器 人具有速度及位置闭环，能翻越简单 障碍，具有一定的自主反应能力。图 1 NASASn akebot I德国人Gavin.H 从约1997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,S4,S5五代蛇形机器人，图2为S5。其研究已经达到相当高的 水平，特点是：各个关 节形状尺寸不 同，高度模拟生物蛇；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。国防科大RoboSnake ，这是国 内最早报道的蛇形机器人，最初为二 维结构，

8、依靠从动轮前进，长约1.5 米，重约3Kg。如图4所示：图4国防科技大学roboSnake 同时，中科院沈阳自动化所蛇形 机器人也开展了机器蛇的研究。§ 1.2结构设计机器蛇设计有 三维结构与二维结构之分，采用三维结构虽然会使某些自由 度在运动过程之中显得冗余，但是为了适应地形的变化，充分体现生物蛇的运动 特点，采用三维设计是势在必行的。为了减小机器蛇的着地面阻力，机器蛇至少一个面应该是平整的，生物蛇 也具有这样的特点。另外，为了采用尽可能少的零件，我们将壳体设计成了一个 四方体，在各个平面上特性完全相同。机器蛇采用舵机为动力源，所以设计舵机 的安装方式也是一个重要的方面。机器蛇是一

9、个重 复性的机构，是多个相同的关 节的装配体。壳体设计图如下：舵机尺寸如下：s9151 尺寸：40.0 X20.0 X36.6 mmS3003 尺寸：40.4*19.8*36mm舵机安装方式连接方式设计：为了减小机器蛇前进方向的摩擦力（有利），而加大躯干纵向的摩擦力（有害）， 我们计划采用从动轮机构，由于考虑到从动轮方案的不确定性，即从动轮可能不 可行，我们计划将从动轮机构与壳体分开设计。从动轮机构设计如下:0du ! LJ丄总装配示意图:SolidS nake 利用垂直和水平方向正交的关节来拟和蛇类生物柔软的身 体，每两个正交的关节组成一个单元体，每个单元体相当于一个万向节，具有两 个方向的

10、自由度，整体形成一个高冗余度的结构体。这样的机构设计使蛇体具有 向任何方向弯曲的能力。实物照片如下：SolidSnake 采用模块化设计，每个关节均可很容易进行拆卸，用户可以 根据不同的需要增减单元体的数量。教学演示用的SolidSnake 蛇形机器人为 方便讲解，关节数量设为6节。SolidSnake 具体指标：关节节的长度110mm ，单元体长度为220mm ， 蛇体的总长度是220*6 = 1320mm 。由于舵机自身的约束条件限制，每个舵机 的转角范围限制在一90+ 90度。为了减少机器蛇的运动中的 摩擦阻力，在机 器蛇两侧安装有从动轮，实现了蛇体的平稳游动。采用轻型耐磨塑料制造蛇形机

11、 器人的主要结构，在很大程度上减轻了蛇体的重量。总结：机器蛇的设计达到了机器蛇的 功能要求，具备模块化，装配方便的特点。SolidSnake 利用垂直和水平方向正交的关节来拟和蛇类生物柔软的身 体，每两个正交的关节组成一个单元体，每个单元体相当于一个万向节，具有两 个方向的自由度，整体形成一个高冗余度的结构体。这样的机构设计使蛇体具有 向任何方向弯曲的能力。实物照片如下：SolidSnake 采用模块化设计，每个关节均可很容易进行拆卸，用户可以 根据不同的需要增减单元体的数量。教学演示用的SolidSnake 蛇形机器人为 方便讲解，关节数量设为6节。SolidSnake 具体指标：关节节的长

12、度110mm ,单元体长度为220mm , 蛇体的总长度是220*6 = 1320mm 。由于舵机自身的约束条件限制，每个舵机 的转角范围限制在一90+ 90度。为了减少机器蛇的运动中的 摩擦阻力，在机 器蛇两侧安装有从动轮，实现了蛇体的平稳游动。采用轻型耐磨塑料制造蛇形机 器人的主要结构，在很大程度上减轻了蛇体的重量。总结：机器蛇的设计达到了机器蛇的 功能要求，具备模块化，装配方便的特点。收缩与伸长形成的波从头传递到尾 部。比较适用于凸凹不平的地面。一 条曼巴（非洲一种树蛇）在43米的距 离内的最大速度是11km/h 。（6）、眼镜蛇式运动在水平平面的波动和伸缩运动的 合成，效率很高，但是与

13、地面的相对 滑动也很大。在人们的印象里，蛇似乎是爬得很快的，所以有 蜈蚣百足，行不如蛇”的说 法。其实大多数种类的蛇，每小时只能爬行8里路（4km/h）左右，和人步行 的速度差不多。但也有爬行较快的，身体细长的花条蛇，每小时能爬行1015 公里，而爬行最快的恐怕要算非洲一种叫做曼巴的毒蛇了，每小时可爬行15 24公里，可是它们只能在短时间内爬得这样快，不能长时间以这种速度爬行。 因此，即使遇到会追人的毒蛇，人也是来得及避开的。人们之所以有蛇跑得很快 的印象，那是由于一刹那间蛇的爬行速度确实是比较快的缘故，尤其是蛇受惊逃 走的那一瞬间。二、蛇运动的波动学解释及机器蛇实现通过对蛇的运动 方式的分析

14、可见：无论哪一种运动方式，蛇的运动都可以看成是 一列行波的传递。l YZ平面沿Z方向-竖直平面波，实现蠕动等运动方式；l XZ平面沿Z方向-水平平面波，产生蜿 蜒运动等运动方式；l YZ、XZ平面沿Z方向一复合空间波，产生 螺旋侧移等复杂运动方式;鉴于机器蛇实现的便利性，我们选择了蠕动的运动方式，假设是一类正/余弦波 的传递，那怎么利用机器蛇来实现这一运动形式呢？换句话说，怎样用多杆系的 结构体来拟和一列波呢？考虑简单的运动模式-蠕动I X(z)=OY(z)=A Sin2JIX (X X+t/T ) + 叭假定机器蛇的关节沿生成的轨迹运动，则可用 截圆法”求取各个关节点。再利用 余弦定理求取关

15、节角。初始起点位賈行进一步JS的起点位置二、例子：通过编写程序，设定周期离散数为64，我们得到了一个关节一个周期内的角度 数据，数据为64个角度值，其余关节的数据与此关节的数据是一样的，只是有 相位差而已，如下：char an gle_x_r164=90,86,82,79,75,71,67,64,60,56,52,49,45,41,37,34,30,34,37,41,45,49,52,56,60,64,67,71,75,79,82,86,90,94,97,101,105,109,112,116,120,124,127,131,135,139,142,146,150,146,142,138,13

16、5,131,127,124,120,116,112,108,105,101,97,94;设定相位差为8，则八个关节为一个波长，数据的传输如下表:关节-一一二四五六七八T190 :60；306090120150120T28656346494124146116T38252376797127142112T47949：4171101131138108T57545：4575105135135105T6210171414979109139131T639767玄5282112142127T649464345686116146124通过给每个关节角度序列，或者只给第一关节，延时后顺次传给其后相邻的关节,便可实

17、现机器蛇的运动。大家可以编写程序实现蠕动运动数据的提取。（不限编程语言（C/C+/VB ）等）§1.4 控制系统 设计一 控制 系统通过机构设计 和运动分析，我们可以得到机器蛇 控制系统要进行以下工作：建立 运动 模式库，用来存储各种运动 模式的数据，接受控制命令后，选择制定的运动 模式对应的数据，更新运动参数，而后需要将运动数据依次传送给各关节，通过 末端控制器将关节数据转化为关节执行器舵机的运动。即控制系统 的任务如下：1）与上位机（遥控器或者PC）通讯，接受运动指令；2）将运动数据传送给末端控制器；3）末端运动控制器控制末端执行器执行指令；（一） . 系统 构架探讨 ： 考察国

18、内外已知各仿生机器 人研究者的控制方案，基本可以分为以下三种：1 ） 主控计算机中央控制， 拓扑结构为星形，采用基于“命令宏”的开环/闭环 部分控制。这种方案结构较简单，没有下位机，上位机直接控制电机以及 处理传 感器反馈，优点是所有关 节相互独 立，互不影响 ，但是这种控制律决定了其自适 应能力差，容错性差，结构的 改变将导致所有动 作必须重 新设计，中央计 算机的 瘫痪将造成系统的完全瘫痪。而且要求系统有一个高速、大容量的上位机。典型 应用实例有 NASA 的 SnakeBot 。2）利用CPG、行为主义控制模型、人工神经网络等分布式控制方案，典型 应用如MIT的Brooks的"

19、Genghis"六足机器人，Vbug ”机器人等。3）既有主控计算机， 也有末端控制器，结合以上两种控制方式 的优点，这 样对主控计算机的依赖大大减小使其的微型化成为可能，可以在很大程度上弥补 上述两种控制方式 各自的缺点，在需要自主运动和高度的鲁棒性时主要采用方式 2，在执行确定任务时采用方式 1 和 2 的结合。（ 二） .SolidSnake 系统构架： 给予以上考虑，另外我们还有利用自适应运动理论对机器蛇运动 进行规划的打 算，所以采用了第三种控制方式 。机器蛇的 高层控制为主控计算机，而机器蛇本 体也可自成一体， 有自主决策功能。机器蛇 头部有主控单片机，而每个单元体又 有

20、末端控制器，参照大脑脊髓的控制模式。在电路设计上采用“上层 pc 人机交互控制 高层中枢决策 分布式底层运动控制 ”的控制逻辑， 主控单 片机和分布是末端控制器之间通过Usart实现主从通讯。而上层pc与机器蛇通 过串口实现有线/无线通讯/。使控制系统 具有三层逻辑构架。上层 pc 控制实现人机交互:PC 机可以控制主控单片机，从而实现机器蛇的 高层运动规划控制； 也可通 过主控单片机作通讯中转直接控制 末端控制器， 实时的改变任意单元体的状态， 实现底层 控制。主控单片机实现机器蛇中枢决策：主控单片机可以接受并执行来自上策 pc 宏命令，也可通过自身传感器系统 采集环境数据，依据机器蛇专家系

21、统（环境信息库与运动模式库），实现自主决 策，自主运动（实现中）。末端控制器实现局部运动决策与运动执行控制：每块从机上都有两路AD米集，可以实时的米集关节的绝对角度值，以修正 来自主机的角度数据，实现有限度的基于行为的运动控制。我们决定将来加装合 适的传感器，以感知周围环境，实现各大限度的局部自主，从而实现基于行为的 运动控制。如示意图：机器蛇系统构架示意图：二.机器蛇的通讯考虑到系统通讯的复杂程度、可靠性、硬件限制等因素，我们选择RS232 实现主控单片机和PC的通讯；常见的多机通讯模式有总线型、星型和环型：SolidSnake选用了总线型结构，利用单片机的可编程串行通讯接口的多机通讯模式实

22、现主控单片机和末端控制器的通讯。（一）.主控单片机一一PC通讯（通讯1 ）： 硬件：单片机和PC均已有异步串行通信电路，但是逻辑电平的定义方式不同，如下：RS232 逻辑 1 : +12V 逻辑 0 : -12VTTL/CMOS 逻辑 1 : +5V 逻辑 0 : 0V转换方法：使用MAX232等芯片转换电平。 传输的数据（运动参数）：模式指令码（选择控制模式和运动模式）；X方向波周期离散数；X方向波相位 差；丫方向波周期离散数；丫方向波相位差；数据延时；数据桢定义：在程序中，为了实现的方便，我们规定周期离散数为定值，根据需要传输的数据， 规定数据桢组成为：2个起始位+7个数据位+1个校验位数

23、据桢（十六进制）起始起始数据位数据位数据位保留数据位数据位保留校验位55aa协议标志指令码Y相位差X相位差数据延时校验和注：通过接受到的字节数来半段是否已经收到一个完整的数据帧。（二）.末端控制器一一主控单片机通讯（通讯2）1，通讯协议数据包：局部控制器地址（地址帧）+舵机数据1 （数据帧）+舵机数据2 （数 据帧）局部控制器首先判断是地址帧/数据帧。若是地址帧，则利用地址帧数据来辨别 是否是本机数据，若是则接收2个数据帧。若是数据帧，则不予理睬，直到有 地址帧来为止。二.硬件设计1）机器蛇主控板：CPU模块为单片机最小系统，通讯模块部分应用RS232芯 片进行电平转换，实现与PC通讯，另外，

24、直接应用USART与局部控制器 通讯。因需要双串口，故采用AVR单片机MEGA128 ；电源模块采用三端 稳压子稳压得到5V电压，给电路板供电；舵机供电与电路板供电分开，避 免干扰。组成图：实物图:2）机器蛇局部控制板：与主控板组成部分相当，没有了上行通讯模块，但是增 加了舵机控制扩展接口。组成图实物图四.软件编程：一.编程说明：主控单片机软件功能：1、上行（与PC）通讯控制；M128有两个串行口： USART1和USART2 ,且前者的优先级高于后者， 因此利用USART1进行上行通讯，软件需要实现以下功能：1 ）、接收数据帧；2）、校验处理数据帧；通过起始位与校验和的方式校验，若成功，更新

25、运动参数，并置成功 标志，回送数据；若失败，置失败标志，回送数据。3）、回执2、下行（与末端控制器）通讯控制；发送数据包：地址桢和数据桢均为9位，第九位为1，则为地址桢，否则位数据桢，要具备数据的分发功能。3、接受头部传感器数据并处理；拟定加装一个红外传感器和一个接近开关，前者装在蛇头的正前方，用于判 断障碍物，而后者加装在主接触面上，用于判断是否是主接触面着地，决定 机器蛇是否需要翻身。4、决策控制；决定是否及怎样按照选定的运动模式和更新的运动参数，以及传感器数据来 综合决策执行指令。末端控制器的软件功能：1、与主控单片机的通讯控制；判断地址，若相符则接受关节角度数据，存储缓冲，并回执；2、

26、接收关节传感器数据并处理；根据传感器数据等修正关节角度数据；3、控制末端执行器舵机；控制舵机执行指令；程序模块图：指令发送PC控制台通讯1决策通讯2末端控制器指令处理回执 J接收处理JJ X,J %,指令指令,发送 JI接收处理X x二x xX决策控制 t舵机.程序流程图:構块亿机压坨任序俎操§ 2 机器蛇使用说明;§ 2.1 装配说明步骤I.安装舵机如图中所示，固定舵机的两个螺栓方向不限，力求一致美观，拧紧力度适当，不 可过紧厂此处安装舵机的固定螺栓步骤II.两节相连如图所示，两壳体连接处舵机输出轴会突出一段，小心调整扣上，切忌用力过度 损坏壳体步骤HI.安装舵盘将关节沿

27、切向处伸直，可以看到如图的四个小孔，然后将舵机盘（安装时取下的 舵机输出盘）安装回舵机输出轴上，将一颗M1.6的螺钉旋入其中一个小孔，轻 转关节（某一方向转不动时切忌继续沿原方向转动以免损坏舵机）；若安装不合 适，关节左右将不能对称转动，此时仍保持关节连接处沿切向伸直，旋下螺钉， 轻轻拔出舵机盘一段，然后慢慢将舵机轴沿反方向（某个方向不能旋转至关节成 90度，此处指其反方向）轻旋一定角度（此角度为关节旋转中止处与关节90 度位置的夹角）；拔下舵机盘，对准四个小孔重新安装，重复以上步骤直至舵机 左右旋转对称满足为止。将另一颗M1.6螺钉对称旋上。再将舵机的固定螺钉旋 上,不可过紧，刚好旋上为好，

28、如果过紧，将导致连接处压紧力过大，转动受阻。步骤IV. 安装底轴螺钉翻转关节，在轴端安装M4螺钉一颗，至此一单元体组装完毕步骤V.整体组装按照步骤I IV安装单元体68个，再依步骤IIIV连接单元体，则机 器蛇结构组装完毕。步骤VI.安装电路板安装主控板和末端执行器。至此一条机器蛇便呼之欲出了！步骤VII.连接电源和串口控制线连接电源线和串口控制线，打开电源即可通过机器蛇控制台控制机器蛇§ 2.2 控制机器蛇运动solids nake控制台软件界面简介（一）.安装：（二）.运行：安装solids nake 控制台软件后，运行solids nake.exe, 可得界面如下:' Sv 11 dSn skv I，匸1 皿讥冋 OJEl ； SSF | 器吃星僅咼利U机号fAX中串记中丫ILH !'二）、基本控制区：基本控制命令有：归中（所有关节恢 复中位，处于待机