一种新型蛇形机器人的机构研究与设计

柳炳琦，任米鑫，郑瑞，唐羽峰

（成都大学，四川 成都 610106）

0 引 言

蛇形机器人在无损检测、军事探测、医疗救护和航空航天等领域取得了长足的发展，在保障国家安全、推动经济发展和技术进步方面发挥着至关重要的作用。蛇形机器人因具有体积小、自由度高、适应性强等特征，适合应用于复杂的工作环境中。

纵观国内外研究现状，蛇形机器人因具有在空间范围内运动的能力而成为研究热点。许多学者研究的蛇形机器人存在三维空间运动能力弱的问题，导致蛇形机器人出现运动能力差、结构不稳定的情况。鉴于此，本文提出并设计一种新型蛇形机器人机构，通过合理的机构设计，减小了蛇形机器人结构的复杂性，为系统后期的维护提供便利。通过仿真实验充分验证了该蛇形机器人机构设计的合理性，达到了预期效果。

1 机构系统方案设计

蛇形机器人的机械系统由蛇身关节、蛇头关节和蛇尾关节组成。通过分析生物蛇的运动方式（蜿蜒运动、收缩运动、斜侧运动等）和骨骼构造，采用SolidWorks 三维设计软件对蛇形机器人的整体机构进行设计。要使蛇形机器人像生物蛇一样具有丰富的运动步态，蛇身具有尽可能大的自由度是关键。蛇形机器人是基于摩擦的原理进行运动的，所以蛇身的长度决定了蛇形机器人运动的性质，而要想蛇形机器人的长度能够改变，蛇形机器人应该具备可以更改长度的能力。所以选用可重构式的结构，这样的结构更加简单和方便，控制起来也不复杂，蛇身的总长度由单节蛇身的长度和蛇身的节数共同决定，整体设计图如图1所示。

图1 蛇形机器人整体设计图

1.1 蛇身关节模块设计

蛇身关节采用P-R 连接方式，这种连接方式具有高自由度与高可靠性，其原理为两个相互正交的旋转副之间可以相对转动，从而产生一个球形空间范围内的移动。采用这种连接方式，在实现三维运动的同时可以减小蛇形机器人模块的载荷，从而延长驱动模块的使用寿命。P-R 连接方式的机构简图如图2所示，对蛇身关节上用于驱动的舵机的位置布置进行设计。

图2 P-R 连接方式机构简图

在建模之后，确定的单节蛇身结构如图3所示，当蛇身重构数量足够多时，通过每节横移舵机的旋转产生各节蛇身之间的夹角，每一节的夹角相累加，就能得到总体的弯曲弧度，再通过横移舵机的带动产生蛇蜿蜒运动的效果；俯仰舵机主要是实现蛇形机器人高度抬升、关节俯仰变化的效果。在每节蛇身连接处采用电滑环的目的是解决蛇身旋转绕线的问题。同时，电滑环与轴承转盘的组合可以使蛇身的旋转相对独立，即每节的旋转不会对其他节造成影响，这样的设计可减少蛇身的翻转舵机在翻转过程中所受到的载荷，保证舵机的旋转精度，使步态更加完整和精确。其次，若将舵机替换为电机，则能够使蛇形机器人实现类似轮式运动的步态。当蛇身呈“凹”字形伸展时，两臂侧的蛇身可以作为蛇形机器人的“轮”，通过两节蛇身的转动，带动蛇形机器人运动。

图3 蛇身关节结构图

1.2 蛇头关节模块设计

蛇头关节模块是蛇形机器人的关键所在，其承载了整个系统的核心部件（主控制板、摄像头等），如图4所示为蛇头关节模块设计图。蛇头的设计综合考虑了与蛇身关节的高度连接，其中1 为蛇头舵机连接件，2 为蛇头面罩固定模块，3 为蛇头面罩，4 为控制蛇头上下转动的舵机。

图4 蛇头关节模块设计图

1.3 蛇尾关节模块设计

蛇尾关节模块承载着整个系统的传感模块（激光测距传感器、温湿度传感器），其设计要点与蛇头类似，如图5所示为蛇尾关节模块设计图。蛇尾的设计也需要考虑与蛇身关节的高度连接。

图5 蛇尾关节模块设计图

图例：（1）蛇尾连接件；（2）控制蛇尾转动的舵机；（3）蛇尾面罩；（4）测距激光传感器；（5）锂电池；（6）传感器固定模块；（7）温湿度传感器

2 蛇身关节有限元分析

对蛇身关节的受力处进行有限元分析，验证结构的有效性，蛇形机器人的关节在运动过程中主要受力的部件有两个，分别是连接件与蛇身支架。连接件所受的力为俯仰方向与横向移动的拉应力，所以，按照最大拉应力的零件危险处发生脆性断裂破坏的条件是：

图6 连接件应力云图

同样，对蛇身支架进行有限元分析。蛇身机架所受到的载荷主要为相邻连接件间的几节蛇身横向移动的切应力。根据材料发生屈服破坏的条件为：

式（3）中，最大切应力达到单向应力状态下的极限切应力 ，每一节蛇身的总体重量约为500 克，舵机可以提供的扭矩为22 kg/cm，考虑到第5 节蛇身机架所受的横向阻力为28 N，对第五节蛇身机架进行应力应变分析，分析结果如图7所示。

图7 蛇身机架应力图

通过对两个主要受力部件 的分析可以得出，设计是完全合理的，能够满足正常工作所需的应力要求，所以可以采用当前的蛇形机器人结构进行下一步的运动仿真。

3 蛇形机器人运动仿真

蛇形机器人的运动控制方式特别多，比较主流的控制方式有三种。第一种是近年来比较火热的CPG 控制方式；第二种是通过反复实验所得到的运动步态控制方式；第三种是基于Serpenoid 控制 函数进行控制，也是本文采用的控制方式。Serpenoid 控制函数是模仿蛇体真实运动的控制函数，由日本教授Hirose 通过长期观察蛇类生物的运动而得来。结合本文设计的蛇身结构，可得改进的角度函数为：

式（4）中，为蛇形机器人的关节个数1，2，3……，为蛇身转动的频率，φ为第节蛇身与第-1 节蛇身的夹角，为角度函数的初始相位，为系统的偏转角为0 时蛇身转角的幅值，为系统的偏转角。

将=0，=0 代入式（4）进行初始位置计算，发现=0时舵机并不在初始位置，故对上式进行改进，改进后的公式如（5）所示，添加了一个影响因素，这里≥1。

运动仿真即是对所设计机械结构运动能力的检验，利用专业的仿真软件可以在模拟环境的状态下分析机械结构的运动能力，得到其运动参数，及时缓解结构上所存在的一些阻碍运动的问题，减少研发产品的周期时长，缩减设计和生产成本。在运动仿真这一模块中，采用的分析软件是Adams，因为Adams 是可以进行虚拟样机分析的应用软件，用户可以使用该软件对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力 学分析。

将SolidWorks 中制作好的模型转换为.x_t 格式并导入到Adams/View 中，设置好约束、运动副、接触力以及驱动函数，运用如前所述的Ser penoid 控制函数实现运动控制，并对蜿蜒这一步态进行步态仿真。首先导入格式为.x_t 的装配体；然后对装配体的部件进行约束，如图8所示；接着对运动副施加驱动力，再对运动进行仿真，得到仿真结果。

图8 Adams 中对模型施加约束图

图9 蛇形机器人A=时的步态仿真

图10 蛇形机 器人A=时的步态 仿真

蛇形机器人的蜿蜒运动类似于弦波函数的图像，各节蛇身之间的夹角 越大，蛇形机器人的蜿蜒步态曲率也会随之增大，就会出现类似弦波函数图像的波峰与波谷的步态。要保证蛇身有一定的蜿蜒运动曲率，但又不能过大，蛇身才能更好地利用蜿蜒运动产生的摩擦力进行平移，所以合理确定蛇形机器人的蜿蜒曲率是保证蛇形机器人更好运动的前提。

通过运动仿真可以看出蛇形机器人的蜿蜒运动曲率较为明显，在保证其他参数不变的情况下，参数的值越大，蛇形机器人的摆动幅度越小。所以，蛇形机器人的结构能够支撑其进行各种相应的运动，设计方案比较合理。

4 结 论

本文论述了采用多自由度与高稳定性P-R 连接方式蛇身机构的可行性，电滑环和轴承转盘的组合结构取代了传统的蛇 身舵机之间的直连方式，更能适应多变的环境。基于Serpenoid 控制函数控制蛇形机器人的蜿蜒步态，通过对所设计结构的有限元分析验证了本模型的合理性，通过Adams 运动分析验证了蛇形机器人模型的可行性。该结构具有组成简单、抗干扰能力强、控制方便、研发成本低等优点，为野外探测、军事侦察等活动提供了极大的便利。