蛇形机器人机械结构设计

代亚坤 陈辰 徐刚 魏翔

摘要：设计具有在复杂地形移动能力的仿生蛇形机器人，主要描述蛇形机器人的机械结构设计，包括其主要的构造以及核心思想。实现设计时选用履带式小车车架加舵机DS3218作为本体，以充当附加模块的信号中继器作为特殊情况下维持信号的方式。使用多种传感器用来实现它更多的功能扩展。

关键词：蛇形机器人;机械设计;舵机

引言

在许多突发事件中，精准的定位救援至关重要。比如在地震后废墟中精准找到被困人员;检查管道是否出现堵塞、裂缝等。这需要一个可以适用于多种地形的遥控机器人。相比与许多陆地动物，爬行类动物的运动方式可以胜任许多复杂的地形，例如沙漠、树林、废墟和沼泽湖泊等环境。因此，通过模仿爬行类动物的生理特点，设计具有在复杂地形移动能力的仿生蛇形机器人具有重要的科研与实际应用意义。项目设计蛇形仿生蛇形机器人的机械结构，它由于其重心较低，因而具有稳定性强、运动灵活的特点，具有在复杂或未知环境具有很强的适应能力，因此在探险救援、防恐、危险环境作业等领域具有光明的应用前景。

机器人的运动步态分为4种，分别为：蜿蜒运动、直线运动、鼓风琴运动和侧移运动。

蛇的足在漫长的岁月中逐渐退化，但是却仍然能够繁衍至今，自然是因为它产生了能够替代末端肢体的运动方式并在大自然中找到了自己的位置。蛇形机器人能够深入一般轮式或步行机器人难以到达的地方，而且还可应用于人类不宜工作的某些领域，因而可以通过它强大的适应性进行一些危险和关键的工作。因此对机器蛇展开一些深入的探讨研究在日后必将具有必要且重要的现实意义及价值。

1.蛇形机器人整体设计

1.1结构设计

设计蛇形机器人的整体结构，确定其所使用的舵机和控制系统，再将SolidWorks三维仿真件选取设定为建模平台，测量舵机的尺寸，绘制得到舵机及其承载舵机的零部件，然后则进行组合仿真，通过建立模型并进行比较，之后再确定最终的结构。

1.2 舵机的选择

采用DS3218舵机，其具有精密电位计的高级线性和精度，既稳定，噪音也不大，最主要的是它的防水性能，考虑到蛇形机器人有可能遭遇到液态的环境，所以说我们需要一个尽可能防水的部件。DS3218具有防水橡胶密封螺丝的设计可以有效防水。它在6.8V时最大扭矩高达21.5 kg /cm（298.5 oz / in），配备强大的铜铝齿轮以及CNC铝合金中间壳体，大小仅仅只有1.58×0.79×1.60英寸（40×20×40.5mm）大;重量则仅仅只有60g（2.12oz）。它拥有高性能的可编程数字标准伺服，它可以在机器人，机械臂，登山车和遥控玩具中普遍使用。它的主要特点是散热很快，扭矩很大，兼容性很强可以在很多场景下使用以及它的响应十分灵敏等特点。

其具备高硬度阳极氧化金属齿轮CNC铝合金中壳，防水橡胶密封螺丝;失速转矩为（5V）：19 kg / cm（263.8oz / in）;失速转矩为（6.8V）：21.5kg / cm（298.5oz / in）死区为：3μs;速度是：0.16秒/ 60°（5V）/ 0.14秒/ 60°（6.8V）;工作电压为：4.8-6.8伏直流电;重量是：60克（2.12盎司）齿轮类型为：铜和铝工作频率为：1520μs/ 333hz;尺寸是40×20×40.5毫米（1.58×0.79×1.60英寸）。

2.蛇形机器人头部设计

因为蛇形机器人的头部是整个机器人的最前端，所以它必然最先接收到前方的信息，它对于整个机器人的重要性就不言而喻了。它应该集成最多的传感器以便探测前方的情况，给后方的操作人员尽量清晰的画面来使机器人的操控更加方便。计划设计有一个可以转动的高清红外摄像头以及音频采集设备，可以在最前端更快地收到周围环境的相关信息。

3.蛇形机器人关节设计

蛇形机器人关节设计机械结构图如图1所示。对于一维关节连接成的机器人机构，当旋转关节平行安装时，只能整合获得二维平面内的运动，无法有效地翻越三维障碍。而当关节轴相互垂直安装时，机器人可以设计实现三维空间运动。机器人需要具有三维空间运动能力，所以需要更灵活的多自由度关节结构。为了提升蛇形机器人的自由度，关节计划采取正交设计，具有双自由度，连接机构将采用两个舵机来控制，并且为了在遇到危险情况时依然能够拥有工作的能力，机器人应当可以断开连接变为两部分以防止遭到突发事故被卡住而无法行动。脱离机构计划设计成机械式脱离方式，通过控制特定零件的转动来完成蛇形机器人两个部分的脱离操作。

4.蛇形机器人外壳设计

因为承载的重量有限，所以蛇形机器人的外壳不应该过于厚重，但是由于其运动环境的特殊性它又需要一个相对坚硬一点的平台来承载，所以我们选择使用轻量化的金属外壳，在保证他的结构坚硬的情况下尽量减少它的质量以便于节省能源的消耗。

5.蛇形机器人运动方式设计

直线运动是大型蛇类比如蟒蛇在捕猎过程当中接近猎物的一种运动方式，虽然蛇没有胸骨，但是它的肋骨却可以前后移动，肋骨与腹鳞之间由肋皮肌链接。当肋皮肌收缩时，肋骨便向前移动，这就带动着宽大的腹鳞依次竖立翘起，翘起的腹鳞就像踩着地面一样，但是这时只是腹鳞动而蛇身却没有动作，紧接着肋皮肌开始放松，腹鳞的后缘便对粗糙的地面施以力的作用，依靠反作用力把蛇体推向前方。这种运动方式产生的效果是使蛇身沿直线向前爬行，但是它的运动效率非常低下。所以在运动方式的选择上我们并没有选择其他形式而是简简单单的履带式，因为履带式结构简单且也能适应各种复杂的地形，这种行进方式在一般情形下消耗的能量也不大，對于履带的材料我们也可以视环境而进行改装。

鼓凤琴运动表面上看起来与蜿蜒运动相似，是蛇在狭小空间的一种运动方式。蛇身前部抬起，尽力前伸，接触到支持的物体时，蛇身后部即跟着缩向前去;然后再抬起身体前部向前伸，得到支持物之后，后部再缩向前去;这样交替伸缩，靠着与地面之间的静摩擦力推动自身向前运动。一般情况下蛇在树上爬行的时候都会采用这样的步态来行进。这种运动方式可以参考进机器人的设计里面来，用以跨域一些坑洞和障碍物。

蛇是脊椎动物，它的骨骼分为3种：头骨，脊骨和肋骨。它的身体狭长且柔软，由彼此相互连接的200～400块脊骨组成。对于大多数蛇，脊骨运动的范围是很小的，水平为10°-20°，垂直为2°-3°。虽然关节的活动范围很小，但由于蛇的脊骨数量很大，通过相邻脊骨间的微小变化的叠加就可以实现蛇身体构形上的很大调整。在运动上，蛇具有无脊椎动物的特征，它的身体非常柔软，能够适应各种崎岖不平的地形，而且具有很好的稳定性。蛇的脊骨结构非常类似，为蛇形机器人的模块化设计提供了有利的条件，尤其是其本身的独立的封闭性将给蛇形机器人带来很大的优越性。但由于用骨骼连接，蛇并不能完全体现出无脊椎动物的特征，尤其是在伸缩方面，蛇体本身的伸缩性很小，在伸缩状态下的运动效率也很低。所以当不具有直线驱动的蛇形机器人模仿无脊椎动物的运动时，不得不依靠部分关节的弯曲来实现身体的收缩运动。而我们设计的机器人则使用履带作为行进方式，可以进行直线式驱动。

6.蛇形机器人电源设计

蛇形机器人的电源供给方式有两种方案：电源线供电和电池供电。有线供电能最大程度上保证续航，但电源线的存在给机器人的行动造成了很大的困难。电池供电可以在一定程度上提高机器人运动的灵活性以及对环境的适应能力，但续航能力取决于电池的容量，大容量电池的质量和体积非常大，也会对机器人的运行造成影响。综合考虑，采取电源线供电和电池供电相结合的方式较为理想，当供电线路在影响机器人运动时，机器人可以分離供电线后依靠移动电源供能而自行运动。在固定地点工作或者实验过程中，利用线路供能，可同时将现场的情况传回监控中，方便救援人员更好地掌握现场的情况。

7.结语

本文设计蛇形机器人的机械结构，并将其应用到蛇形仿生机器人系统中。经过测试，系统可以顺利完成目标动作。蛇形机构的选择直接决定了其运动的功能。未来蛇形机器人结构设计和连接方式的开发将遵循通用性、经济性和鲁棒性的原则，且其结构设计也将沿着可重构性方向获得延拓升级发展。

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基金项目：国家级大学生创新创业训练计划项目“蛇形仿生机器人”（202110066008）

作者简介：代亚坤（2001-），男，本科生，自动化专业。