机器蛇系统构架和运动原理

机器蛇运动原理和系统构架（一种愿望，一种安排，一种努力）中国农业大学王伟22-1机构设计一般，借鉴了已有的设计。成绩评定C（一）机器蛇的结构设计范例作业评价22-2组按照要求完成了作业，交了两份作业；且其设计之一（左上图）新颖，独特，且做的很细致，装配关系明了可行。成绩评定为A23-2深入理解了蛇的构造，兼顾了二维和三维，有创新。没有设计总结成绩评定A23-3机构设计有创新，兼顾了二维和三维的结构组合；有新意；设计报告写得较深刻，涉及意图明确；成绩评定：A作业评价此结构仿造ss机器蛇样机。用caxa软件设计。作的非常的细致，尺寸等也非常的合适。有机构设计说明书但是建议大家发挥自己的灵感，自己创新，不要拘于现有的国内外蛇的机构。成绩评定为B31-2组作业评价32-1组此结构作的有新意。四面平整，壳体结构也很简洁实用，加工性比较好。有设计文档机构的细部作的不足。略显粗糙。成绩评定为A作业评价32-2组此结构为完全仿造ss机器蛇样机。用caxa软件设计。作的非常的细致，尺寸等也非常的合适。有机构设计说明书但是建议大家发挥自己的灵感，自己创新，不要拘于现有的国内外蛇的机构。成绩评定为B41-2采用圆形的蛇体结构，有新意，但在实用上会用问题；没有设计总结；成绩评定：B作业评价51-1组按照要求完成了作业，且其设计之一（左上图）新颖，独特，且做的很细致，装配关系明了可行。成绩评定为A作业评价51-2组此机构亦为仿ss样机机构没有设计文档建议自己创新。成绩评定为C52-1组机构设计比较细致，但一般。没有文档说明成绩评定为B（二）机器蛇的运动分析机器蛇的主要运动方式是：在不同的时刻，对不同的关节运动姿态进行有序的排列，由于受力关系的不同，产生各种各样的运动形式。以蠕动机理为例说明：要保证运动波形能够顺利的传播，利用三连杆机构的结构特点实现有效位移的传递。为保证有效位移的顺利传递，从机器蛇尾部开始进行三角波的传递。

机器蛇运动过程分为三个过程：步距产生阶段，步距传递过渡阶段，步距传递阶段。1、步距产生阶段通过计算机串口输入数据控制机器蛇尾部第2节点处的舵机，使舵机沿着顺时针方向旋转过一定的角度,由于要克服杆的重力、地面的摩擦力和相邻杆件之间的约束，使第1节连杆和第2节连杆产生垂直方向的角度变化,在结束时，形成的机器蛇体态，如上图B，可以产生水平方向的一个步距，即图示的位移L。2、步距传递过渡阶段为保证在以后的运动中，产生的有效位移不会消失或衰减，必须使后续运动能保证有效位移L不损失。即后续的三连杆机构必须按照一定的方式运动，只有这样，经过运动积累，才能保证机器蛇产生向前的运动。步距传递的过渡阶段要将上一阶段产生的步距L从节点1－2－3平稳的传递到节点2－3－4，如图B－C。期间，蛇体的运动只在节点1－2－3－4之间运动，而其余节点的舵机不参与运动。3、步距传递阶段：

步距传递过渡阶段结束以后，改变节点2的旋转方向，使节点2向下运动，节点3保持原来的运转速度和运转方向不变，节点3向上运动，形成的运动姿态如图B2。接下来，节点2快速下降，节点3以较小的变化角度向上增加一定的值，形成的运动姿态如图示B3。最后，节点2降低到与地面接触，完成由节点1－2－3到节点2－3－4的平稳传递。由图示B1、B2、B3可以看出，步距在由图B－C的传递过程中没有产生有效位移的损失。

重复以上的过程，波峰将从节点3又向前传递一次。如果机器蛇的步距传递的姿态如图I时，机器蛇完成了一个动作循环，即机器蛇前进了一个步距L。在不同的时刻，重复上述的运动姿态和控制过程，机器蛇在要求的运动方向上实现运动。如果改变控制时各个节点的时序，即机器蛇的头部先产生运动，机器蛇就可以实现向后的运动。根据以上的分析结果，可以完成一个波在垂直方向上的传递，实现蠕动。

采用舵机驱动，而舵机的角速度和角加速度不需要控制，因此在具体的操作中，只需计算出蛇体在极限位置处的旋转角度，然后对这些计算的角度值进行插值计算，就可以得出在不同的时刻内，机器蛇的某个关节处的旋转角度值。但在实际的应用中，在整条蛇体内传播单个波形时，受时延的影响，如果蛇体的关节数量较多，从机器蛇的尾部传递到头部所需的时间太长，造成前进的速度太慢。且每一个波形传递不连续，不能形成连续的波形传递。为克服单个波形传递速度慢、波形不连续的缺点，下面介绍连续波传动的情况。在波形的传递过程中，步距保持为一个定值，其大小与传动的起始角度有关。由图看出，当机器蛇的任意一个关节点经过图示1－12个运动姿态变化后，形成的一个完整的姿态循环。（1）中位的确定：机器蛇的运动是各个关节的角度发生了变化，必须确定机器蛇的中位才能得到不同的角度变化。中位规定为当各个关节的夹角为0时。因此可以计算出从姿态1到姿态12机器蛇的同一关节不同时刻的关节角度值根据时延不同对机器蛇的每一关节处的舵机循环加载此数组，就可以实现机器蛇连续的运动。在实际的处理中，采用对舵机进行点位控制，相邻角度值不能变化过大（<=100），否则运动不平滑，因此，需对以上数组进行插值处理，把以上包含12个角度的数组，扩展为32位或64位的数组。如果得出的数组不是12位，同样需要把它插值为32或64位。

对于舵机控制，没有角加速度的控制量，因此旋转的角度应尽量接近，这样就能达到满意的运动形式。可以利用插值方法形成64位数组。我们根据相邻点处角度差值的大小，采用均匀插值的方法插入相应的数值，比如-52゜与-30゜之间相差22゜，我们插入两个值，而-30゜和0゜之间相差30゜，我们插入三个值。经过插值后的64位数组：{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, 150,146,142,138,135,131,127,124, 120,116,112,108,105,101,97,94}5、机器蛇SolidSnakeII的运动合成：蠕动游动：只需利用以上蠕动运动的旋转角度数据，把垂直方向的角度值改变为水平方向的角度变化，而保持垂直方向的角度不变化，机器蛇就可以实现在地面上的灵活运动。扭动：蠕动和游动的组合运动。两个方向结合产生横向侧滚运动

系统构架及通讯协议机构设计+单片机机器蛇由部分到整体机器蛇的控制系统构架

机器蛇的控制系统构架机器蛇硬件控制结构说明：PC为上位机；下位机为机器蛇本体，包括主控板和从机板；主机（host）处理器采用Atmega128；从机slave采用Atmega8，每个从机模块控制两个正交向的舵机工作。

机器蛇的控制系统构架层次式结构机器蛇控制系统采用递阶分布式结构，分为组织层、协调层、执行层三层；组织层完成用户界面、任务规划、视频显示处理等功能；协调层完成控制、协调计算和数据分发等功能；执行层完成关节舵机伺服功能。机器蛇的控制系统构架层次式结构机器蛇的组织层：PC端的控制软件；考虑到实验操作的直接方便，组织层采用超级终端或者串口调试助手；协调层的功能由位于机器蛇头部的主控板来实现；

存储各运动模式的数据；各组设计运动数据将烧写固化至主控板；执行层指各个从机控制板和舵机模块；各组的实验板即为从机控制板。机器蛇控制系统构架返回机器蛇的控制系统构架运动控制流程概述PC的控制软件通过RS232给机器蛇头部主机发送指令数据来控制机器蛇的运动；头部主机接收到指令确认无误后，解析数据帧，处理综合数据后，将各个执行末段舵机的角度以广播方式通过总线分发到各个从机；接着就如上次实验所述来控制舵机的转动了，至此，机器蛇的运动实现了。机器蛇的控制系统构架一般的简单的机器人控制系统就是这样的上下位机构架。当然更复杂的系统在各个层面上会有很多不同，但那只是手段不同，其骨架基本都是一样的。本次课程主要介绍上下位机（PC和主控板）之间的通讯。

机器人控制中常见的通讯方式机器人所采用的通讯方式根据实际需要来选择。例如方便性，速度，通讯可靠性，通讯距离，错误处理等，也有功能对网络形式上的要求，当然这些都不是绝对的，只是有个更佳的选择问题。机器人控制中常见的通讯方式CAN（ControllerAreaNetwork）CAN总线原是Bosch公司为解决现代汽车中众多的控制和测试仪器之间的数据交换而开发的，由于其在数据通信上具有突出的可靠性、实时性和灵活性，应用范围已由原来的汽车行业扩展到了过程工业、机械工业、纺织工业、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械以及传感器等领域。CAN总线是一种多主总线，通讯介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维，通信速率可达1Mbps。机器人控制中常见的通讯方式I2C（Inter-IC）

I2C（Inter-IC）总线是由Philips公司推出的一种新型总线标准，是同步通信的一种特殊形式。具有接口线少（二线传输），控制方式简化，器件封装形式小，通信速率较高等优点。标准模式下数据传送速率可达100kbit/s，高速模式下可达400kbit/s。I2C（Inter-IC）I2C总线是串行总线，可发送和接收数据，在CPU和被控IC之间，IC与IC之间进行双向传送。总线上并接的每一模块既是主控器（或被控器）又是发送器（或发送器），这取决于它所要完成的功能。CPU发出的控制信号分为地址码和数据码两部分，地址码用来选址，确定总线通信的唯一器件，数据码是通信的内容。这样挂在同一条总线上的各控制模块彼此独立互不干扰。机器人控制中常见的通讯方式RS232/RS485总线

目前RS-232是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口，被定义为一种在低速率串行通信中增加通信距离的单端标准。RS-232是为点对点（即只用一对收、发设备）通信而设计的，其驱动器负载为3～7kΩ。由于RS-232发送电平与接收电平的差仅为2V至3V左右，所以其共模抑制能力差，再加上双绞线上的分布电容，其传送距离最大为约15米，最高速率为20kb/s。RS232/RS485总线为改进RS-232通信距离短、速度低的缺点，在RS232基础上发展了RS422接口标准，它是一种单机发送多机接收的单向平衡规范。为扩展应用范围，在RS-422的基础上又发展了RS-485标准，增加了多点、双向通信能力，通常在要求通信距离为几十米至上千米时，广泛采用RS-485收发器。RS232/RS485总线RS-485收发器采用平衡发送和差分接收，即在发送端，驱动器将TTL电平信号转换成差分信号输出；在接收端，接收器将差分信号变成TTL电平，因此具有抑制共模干扰的能力，加上接收器具有高的灵敏度，能检测低达200mV的电压，故数据传输可达千米以外。无线通讯常采用无线数传电台，一般都提供有RS232或RS485的接口，很方便使用。在机器蛇中采用的是串行通讯，与PC通讯用的是RS232接口标准，是最常见最方便得到的接口资源。对于一些简单的应用，几十个甚或上百个字节的通讯数据量来说，通过一些简单的错误处理，都能足够满足我们的需要，再考虑上成本，确实是个不错的选择。当然并非说这就是最佳选择，如果我们的功能要求复杂些，需要更多的设备提供实时可靠数据交换的话，可能就需要选择其他的通讯方式了。比较：这里所说的通讯协议是指应用层用户所制定的通信协议，采用数据帧格式，每帧含有若干个字节数据，考虑帧的起始、寻址、结束和错误处理，面向字节。应用层通讯协议一般的应用层通讯协议的帧结构如下图机器蛇的通讯协议假设现有一个机器蛇系统，基本结构如前所述。硬件环境：采用8个直流伺服电机驱动，每个电机对应一个伺服模块，头部有一个主机，主机通过一条RS485总线带8个伺服模块，通过RS232和PC机通讯。机器蛇的通讯协议

控制要求（一）：

1）完成前进、后退、左转、右转动作，要求能以不同的速度前进后退左转右转；

2）有启动、停止功能，要求能够快速置中位，即机器蛇停止；

3）头部主机内置几种运动模式的方程，要求能够调节各种运动模式的速度和波动的幅度；分析：1）中所述的动作都是由3）中所说的几种运动模式方程生成，我们可以用一个字节的高6位来表示运动模式，可以表示26=64种模式，已经足够用了；低两位组合来表示前进、后退、左转、右转四种动作；接着用一个字节表示速度或者速度基量；一个字节表示波动幅度或其基量；机器人控制通讯协议控制要求（二）：有两种控制方式：一、PC发送运动模式指令+运动参数，由主机处理计算数据控制各个电机；二、越过主机，由PC直接实时控制每个电机的状态，各个电机之间不相关；并且在两种控制方式切换时，机器蛇的状态保持不变；需要识别每个从机板；分析：用一个字节直接表示启动停止和置中位指令；用一个字节的高四位表示两种控制方式，用低四位表示8个电机的地址编号，再用一个字节表示对应电机的角度控制要求三：能够判断收到的是否为正确完整的数据帧分析：

帧校验有循环冗余码、奇偶校验和校验和等几种常见的方式，这里采用校验和。结构定义如下：UP-SOLIDSNAKE教学实验系统通信协议

无线发送模块

这是一个简单的控制协议，只考虑了机器蛇的简单动作控制；如果考虑增加传感器设备，很多状态量反馈，操作方式、调试工作和控制软件界面等各种因素，那么这个协议就复杂了，有些项是在边调试边增加的。附录中附有目前机器蛇所用的控制协议。结语2、实验步骤：1、用ImageCraftDevelopmentTool打开所提供的源程序host.h，用你自己的数组替换原来的数组Charangle_x_r1[64]={......}里的数据。本实验所提供的源程序所取的角度变