一種分布式能量供給的蛇形機器人研制

方子鳴，陳麗*,，梁為升，范辰運，陳紫延，顧中煒，顧文康

一種分布式能量供給的蛇形機器人研制

方子鳴1，陳麗*,1，梁為升2，范辰運1，陳紫延1，顧中煒1，顧文康1

（1.上海工程技術大學 航空運輸學院，上海 201620；2.上海安鄔智能科技有限公司，上海 201415）

研制了一種分布式能量供給蛇形機器人系統，該蛇形機器人系統由模塊化單元組成，每個模塊單元集電源、驅動器和傳感器于一體，具備完全自治運動功能；蛇形機器人的頭部具有無線數據接口、視覺和超聲波傳感器，可以實現對外數據連接和環境監測；蛇形機器人的尾部具有充電接口，可實現為各個模塊和蛇頭充電。蛇形機器人具備體積小、重量輕、穩定性高等優點?；诳偩€控制的模塊化結構，可以采用分布式控制方法，實現蛇形機器人平面蜿蜒運動、抬頭、翹尾、側翻等運動形式。

蛇形機器人；分布式能量供給；自治模塊；蜿蜒運動

當代機器人的研究領域已經從結構環境下的定點作業中走出來，向著航空航天、星際探索、軍事偵察攻擊、水下地下管道、疾病檢查治療、搶險救災等非結構環境下的自主作業方面發展[1-2]。未來的機器人需要在人類不能或難以達到的已知或未知的環境里工作，而傳統移動機器人的移動機構設計方法已不能滿足機器人的作業要求，所以變革移動機器人的機構設計和運動方式，使其適應復雜的工作環境，是當前機器人研究的重要方向[3-4]。自然界中無四肢動物的運動方式引起了學者的濃厚興趣和廣泛研究，其運動方式特點是重心低、與地面有多個接觸點、具有很高的運動穩定性和環境適應能力。蛇形機器人是以蛇為模型而研制的機器人，它增加了機器人的運動步態，擴大了機器人的應用領域，適合于狹長管道、松軟表面、凸凹不平地面和沼澤等特殊的工作環境[5-6]。

1 蛇形機器人機構的研究現狀

自從20世紀70年代開始爬行生物的力學研究，至今蛇形機器人已經成為仿生機器人研究中的一個重要分支。日本東京工業大學的Hirose[7-8]于1972年研制了第一臺蛇形機器人樣機，它是由電機驅動的單自由度關節串聯而成，每一關節安裝一對被動輪，用以改變機器人運動的縱橫摩擦系數比；美國加利福尼亞工學院的Chrikjian和Burdick[9]提出了采用變幾何桁架結構（Variable Geometry Truss，VGT）作為蛇形機器人的基本構架形式；日本NEC公司的Takanash[10]開發研制了一種由剛性體關節相連的蛇形機器人機構，能夠實現三維空間運動，可以應用在危險情況下的探查和營救工作；德國的Karl[11]研制了一個柔性蛇形機器人GMD-snake1，每一單元由兩個橡膠關節組成，且設有四組驅動裝置（8個電機），它可以分別在垂直和水平方向上彎曲運動；美國卡耐基梅隆大學研制了由直流電機直接驅動的兩自由度關節的蛇形機器人，美國宇航局對此機構進行了改進，研制了能實現多種運動的蛇形機器人Snakebot，希望應用在星球探索上[12]。

蛇形機器人的各種機構形式，使其可以實現多種平面運動和空間運動形式[13]。然而目前的蛇形機器人還處于實驗室研究階段，這主要是因為蛇形機器人的能源供給問題沒有得到解決?，F有的蛇形機器人大多采用有線連接，或者將電池安裝自蛇形機器人的某一節上、采用集中供給的方式，這就導致因蛇體重量分配不均造成系統運動不協調的問題，限制了蛇形機器人的實際應用進程，基于此本論文研制了一種實現分布式能源供給蛇形機器人。

2 蛇形器人結構設計

2.1 蛇形機器人的整體結構

蛇形機器人系統由模塊化單元組成，主要包括頭部模塊、身體模塊和尾部模塊三類模塊設計，如圖1所示。

A.頭部模塊 B.身體模塊 C.尾部模塊

（1）蛇形機器人的頭部具有探測和導航功能，通常配有適用于不同應用場景的傳感器和性能好的單片機，用于環境識別和復雜算法設計。

（2）蛇形機器人的軀干是滿足各種運動要求的運動傳遞機構，由多個靈活可操控的關節組成。每個關節上如果具備電機、電源、電位計和驅動器則可視為一個智能模塊，多個智能模塊互相組合，可重構成不同形式的蛇形機器人。

（3）蛇尾通常具有仿生外形，用于充電、走線等功能。

此外結構設計還包括具有保護和運動雙重功能的仿蛇皮膚研制，以及蛇形機器人電機、控制器、傳感器等零部件的設計等。

蛇形機器人的頭部模塊和身體模塊相連，如圖2所示，可以實現抬頭和左右擺動。頭部模塊相對扁平，除仿生外形外，頭部模塊用于安裝主控制器、傳感器和各類通信接口。

A.頭部模塊 B.身體模塊

2.2 頭部模塊化結構設計

頭部模塊用于安放主控單元，并有視覺傳感器。頭部模塊由上蓋和下蓋組成，如圖3所示。上蓋左右兩側設置若干設備連接出口，如無線網絡接口、USB接口、HDMI接口、視覺傳感器接口。下蓋包括螺栓孔、走線孔和減重孔。頭部模塊凹槽可用于安裝基于單片機設計的主控單元和樹莓派，用于和外界進行數據傳輸和通訊；單片機系統的數據和電源線通過走線孔和后續身體模塊連接。

A1.上蓋A11.無線網絡接口A12.USB接口A13.HDMI接口 A14.視覺傳感器接口A2.下蓋A21.螺栓孔A22.減重孔 A23、A24.走線孔A25.凹槽

2.3 軀干模塊化結構設計

身體模塊為蛇的軀干，包括若干個擺轉模塊，身體模塊正交連接，按照運動平面分為水平擺動模塊和垂直擺動模塊，如圖4所示。每一擺轉模塊均包含能量供給裝置和驅動裝置，包括減速直流驅動電機、導線板、U形框架、可充電電池、連接板等。

身體模塊提供運動傳遞功能，每節模塊自備可充電能源、驅動電機和驅動器，驅動器安裝在蛇身體兩側，其線路由導線板內通過連接到下一模塊。相鄰兩個身體模塊通過連接板正交連接，在保護線纜的同時，還分別作為蛇形機器人和地面接觸的表面。身體模塊的驅動電機和充電電池模塊安裝在U形框架內，電機軸可連接電位計，用于檢測電機的轉速和轉角。

2.4 尾部模塊化結構設計

尾部模塊設計成逐漸收縮的蛇尾狀，如圖5所示，具有安裝螺栓和充電接口設計。通過螺栓和身體模塊連接，蛇尾末端為電池的充電接口。螺管內部可以走線，為蛇形機器人各部分充電。

C1.安裝螺栓C2.充電孔

3 自治蛇形機器人系統的研制

完成結構設計后，進行蛇形機器人的系統研制，包括設計蛇形機器人的本體機構加工、控制器設計、電機驅動器設計和能源模塊設計。要達到蛇形機器人遠程控制，蛇頭安裝視覺傳感器；為了實現避障，蛇頭加了超聲波傳感器；為了實現無線跟蹤，選擇便攜式高容量的電池，實現分布式能量供給。

3.1 自治身體模塊集成設計

蛇形機器人軀干的一個模塊就是一個智能主體，均有自己的CPU和可充電電池，并能對自身的傳感器和執行器進行控制。自治模塊化結構設計既包括機械部分又包括電子硬件和控制軟件部分，如圖6所示。結構框架是蛇形機器人的主體結構，起到傳遞運動、保護機體、裝載部件等功能。關節的運動是利用司服電機直接驅動，電機軸有電位計實現關節位置的檢測，關節的每一個自由度上均需要安裝位置傳感器，驅動器實現關節的位置閉環運動。電源控制器實現對充電電池的充電管理。

圖6 蛇形機器人軀干模塊的主要零部件

蛇形機器人屬于模塊化機器人，由大量相同模塊和少量不同模塊構成，具有很好的經濟性，可實現多種運動形式。采用單自由度關節只能產生水平或垂直平面內的擺動，通過正交連接實現水平和垂直平面復合運動，如圖7所示。模塊間的連接通過減速電機實現關節的運動功能。

圖7 蛇體模塊正交連接

3.2 蛇頭和蛇尾功能模塊設計

蛇頭具有總線控制器、蛇頭降壓調整器和樹莓派PizeroW，具備攝像頭、USB接口、HDMI接口；蛇尾具有充電接口，如圖8所示。頭部模塊凹槽可用于安裝基于單片機設計的主控單元和樹莓派，并配有視覺傳感器接口、無線網絡接口、USB接口、HDMI接口，用于和外界進行數據傳輸和通訊；單片機系統的數據和電源線通過走線孔和后續身體模塊連接。

圖8 蛇頭、蛇尾模塊的設計和組成

主控器采用stm32f302，為32位浮點單片機，可以進行控制算法的計算；驅動控制器用stm8s003，為8位單片機，除了用于進行電機轉角的控制算法，還可以進行關節數據的存儲。蛇頭模塊之間采用485總線進行通訊，蛇頭降壓調整器為主控器提供標準的電壓。

3.3 蛇形機器人系統集成

蛇形機器人由8節組成，如圖9所示，頭部和尾部模塊共計重877 g、長96 cm，直徑4.5 cm。集成的身體模塊包括結構框架、減速電機、驅動器、電位計、電源控制器和充電鋰電池。自主能量供給單元包括充電電池、電源控制器和充電接口，分布式能源供給使系統小型和輕型化。充電接口在尾部提供標準5 V供電，由能源管理模塊實現電機和控制板的供電，電機的輸出電壓范圍為5～8 V。每節電池標準為450 mAh/3.7 V，假設電機平均電流為120 mA，估計供蛇形機器人連續工作1 h以上。

3.4 蛇形機器人系統試驗

圖9 蛇形機器人系統

圖10 運動中的蛇型機器人

圖11 蛇形機器人通過無線輸出圖像

4 結論

該蛇形機器人是一個能源分布式供給的自治系統，具有獨立自主控制的能力，其體積小、重心低，與地面有多個接觸點，具有良好的地面適應性、運動穩定性和隱蔽性。同時可以實現多種運動形式，可以適應多種作業環境。但與主動輪式移動機構相比，其運動速度較慢。

蛇形機器人的大量自由度給運動規劃和控制帶來挑戰，因此進一步應研究適用于該類系統的運動規劃和控制算法。由于蛇形機器人本身具有模塊化的特點，因此是其可重構的基礎。進一步工作將對自治模塊進行改進，實現各模塊之間自動的斷開或連接，以形成不同結構系統，可根據所需運動步伐改變系統結構，達到更好的適應環境的運動。

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Development of a Snake Robot with Distributed Energy Supply

FANG Ziming1，CHEN Li1，LIANG Weisheng2，FAN Chenyun1，CHEN Ziyan1，GU Zhongwei1，GU Wenkang1

( 1.School of Air Transportation, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China; 2.Shanghai An Wu Intelligent Technology Co., Ltd., Shanghai 201415, China )

In this paper, an autonomous snake robot system with distributed energy supply is developed. The snake robot system is composed of modular units. Each module unit integrates power, driver and sensor, and has full autonomous motion function. The snake robot head has wireless data interface, visual and ultrasonic sensors for external data connection and environmental monitoring; the charging port at the rear allows charging of individual modules and snake heads. Snake robot has the advantages of small size, light weight and high stability. The distributed control method is used to realize the plane serpenoid motion and special movement forms such as head lifting, tail lifting and side turning of the snake robot.

snake robot；distributed energy supply；autonomous module；serpenoid motion

TP242

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.11.004

1006－0316 (2020) 11－0024－06

2019－12－30

上海市大學生創新項目（CS1908002）

方子鳴（1999－），男，河南信陽人，主要研究方向為機械設計。*通訊作者：陳麗（1975－），女，黑龍江寧安人，博士，教授，主要研究方向為機器人控制，E-mail：cl200432@tom.com。