蛇形機器人機械結構設計

代亞坤 陳辰 徐剛 魏翔

摘要：設計具有在復雜地形移動能力的仿生蛇形機器人，主要描述蛇形機器人的機械結構設計，包括其主要的構造以及核心思想。實現設計時選用履帶式小車車架加舵機DS3218作為本體，以充當附加模塊的信號中繼器作為特殊情況下維持信號的方式。使用多種傳感器用來實現它更多的功能擴展。

關鍵詞：蛇形機器人;機械設計;舵機

引言

在許多突發事件中，精準的定位救援至關重要。比如在地震后廢墟中精準找到被困人員;檢查管道是否出現堵塞、裂縫等。這需要一個可以適用于多種地形的遙控機器人。相比與許多陸地動物，爬行類動物的運動方式可以勝任許多復雜的地形，例如沙漠、樹林、廢墟和沼澤湖泊等環境。因此，通過模仿爬行類動物的生理特點，設計具有在復雜地形移動能力的仿生蛇形機器人具有重要的科研與實際應用意義。項目設計蛇形仿生蛇形機器人的機械結構，它由于其重心較低，因而具有穩定性強、運動靈活的特點，具有在復雜或未知環境具有很強的適應能力，因此在探險救援、防恐、危險環境作業等領域具有光明的應用前景。

機器人的運動步態分為4種，分別為：蜿蜒運動、直線運動、鼓風琴運動和側移運動。

蛇的足在漫長的歲月中逐漸退化，但是卻仍然能夠繁衍至今，自然是因為它產生了能夠替代末端肢體的運動方式并在大自然中找到了自己的位置。蛇形機器人能夠深入一般輪式或步行機器人難以到達的地方，而且還可應用于人類不宜工作的某些領域，因而可以通過它強大的適應性進行一些危險和關鍵的工作。因此對機器蛇展開一些深入的探討研究在日后必將具有必要且重要的現實意義及價值。

1.蛇形機器人整體設計

1.1結構設計

設計蛇形機器人的整體結構，確定其所使用的舵機和控制系統，再將SolidWorks三維仿真件選取設定為建模平臺，測量舵機的尺寸，繪制得到舵機及其承載舵機的零部件，然后則進行組合仿真，通過建立模型并進行比較，之后再確定最終的結構。

1.2 舵機的選擇

采用DS3218舵機，其具有精密電位計的高級線性和精度，既穩定，噪音也不大，最主要的是它的防水性能，考慮到蛇形機器人有可能遭遇到液態的環境，所以說我們需要一個盡可能防水的部件。DS3218具有防水橡膠密封螺絲的設計可以有效防水。它在6.8V時最大扭矩高達21.5 kg /cm（298.5 oz / in），配備強大的銅鋁齒輪以及CNC鋁合金中間殼體，大小僅僅只有1.58×0.79×1.60英寸（40×20×40.5mm）大;重量則僅僅只有60g（2.12oz）。它擁有高性能的可編程數字標準伺服，它可以在機器人，機械臂，登山車和遙控玩具中普遍使用。它的主要特點是散熱很快，扭矩很大，兼容性很強可以在很多場景下使用以及它的響應十分靈敏等特點。

其具備高硬度陽極氧化金屬齒輪CNC鋁合金中殼，防水橡膠密封螺絲;失速轉矩為（5V）：19 kg / cm（263.8oz / in）;失速轉矩為（6.8V）：21.5kg / cm（298.5oz / in）死區為：3μs;速度是：0.16秒/ 60°（5V）/ 0.14秒/ 60°（6.8V）;工作電壓為：4.8-6.8伏直流電;重量是：60克（2.12盎司）齒輪類型為：銅和鋁工作頻率為：1520μs/ 333hz;尺寸是40×20×40.5毫米（1.58×0.79×1.60英寸）。

2.蛇形機器人頭部設計

因為蛇形機器人的頭部是整個機器人的最前端，所以它必然最先接收到前方的信息，它對于整個機器人的重要性就不言而喻了。它應該集成最多的傳感器以便探測前方的情況，給后方的操作人員盡量清晰的畫面來使機器人的操控更加方便。計劃設計有一個可以轉動的高清紅外攝像頭以及音頻采集設備，可以在最前端更快地收到周圍環境的相關信息。

3.蛇形機器人關節設計

蛇形機器人關節設計機械結構圖如圖1所示。對于一維關節連接成的機器人機構，當旋轉關節平行安裝時，只能整合獲得二維平面內的運動，無法有效地翻越三維障礙。而當關節軸相互垂直安裝時，機器人可以設計實現三維空間運動。機器人需要具有三維空間運動能力，所以需要更靈活的多自由度關節結構。為了提升蛇形機器人的自由度，關節計劃采取正交設計，具有雙自由度，連接機構將采用兩個舵機來控制，并且為了在遇到危險情況時依然能夠擁有工作的能力，機器人應當可以斷開連接變為兩部分以防止遭到突發事故被卡住而無法行動。脫離機構計劃設計成機械式脫離方式，通過控制特定零件的轉動來完成蛇形機器人兩個部分的脫離操作。

4.蛇形機器人外殼設計

因為承載的重量有限，所以蛇形機器人的外殼不應該過于厚重，但是由于其運動環境的特殊性它又需要一個相對堅硬一點的平臺來承載，所以我們選擇使用輕量化的金屬外殼，在保證他的結構堅硬的情況下盡量減少它的質量以便于節省能源的消耗。

5.蛇形機器人運動方式設計

直線運動是大型蛇類比如蟒蛇在捕獵過程當中接近獵物的一種運動方式，雖然蛇沒有胸骨，但是它的肋骨卻可以前后移動，肋骨與腹鱗之間由肋皮肌鏈接。當肋皮肌收縮時，肋骨便向前移動，這就帶動著寬大的腹鱗依次豎立翹起，翹起的腹鱗就像踩著地面一樣，但是這時只是腹鱗動而蛇身卻沒有動作，緊接著肋皮肌開始放松，腹鱗的后緣便對粗糙的地面施以力的作用，依靠反作用力把蛇體推向前方。這種運動方式產生的效果是使蛇身沿直線向前爬行，但是它的運動效率非常低下。所以在運動方式的選擇上我們并沒有選擇其他形式而是簡簡單單的履帶式，因為履帶式結構簡單且也能適應各種復雜的地形，這種行進方式在一般情形下消耗的能量也不大，對于履帶的材料我們也可以視環境而進行改裝。

鼓鳳琴運動表面上看起來與蜿蜒運動相似，是蛇在狹小空間的一種運動方式。蛇身前部抬起，盡力前伸，接觸到支持的物體時，蛇身后部即跟著縮向前去;然后再抬起身體前部向前伸，得到支持物之后，后部再縮向前去;這樣交替伸縮，靠著與地面之間的靜摩擦力推動自身向前運動。一般情況下蛇在樹上爬行的時候都會采用這樣的步態來行進。這種運動方式可以參考進機器人的設計里面來，用以跨域一些坑洞和障礙物。

蛇是脊椎動物，它的骨骼分為3種：頭骨，脊骨和肋骨。它的身體狹長且柔軟，由彼此相互連接的200～400塊脊骨組成。對于大多數蛇，脊骨運動的范圍是很小的，水平為10°-20°，垂直為2°-3°。雖然關節的活動范圍很小，但由于蛇的脊骨數量很大，通過相鄰脊骨間的微小變化的疊加就可以實現蛇身體構形上的很大調整。在運動上，蛇具有無脊椎動物的特征，它的身體非常柔軟，能夠適應各種崎嶇不平的地形，而且具有很好的穩定性。蛇的脊骨結構非常類似，為蛇形機器人的模塊化設計提供了有利的條件，尤其是其本身的獨立的封閉性將給蛇形機器人帶來很大的優越性。但由于用骨骼連接，蛇并不能完全體現出無脊椎動物的特征，尤其是在伸縮方面，蛇體本身的伸縮性很小，在伸縮狀態下的運動效率也很低。所以當不具有直線驅動的蛇形機器人模仿無脊椎動物的運動時，不得不依靠部分關節的彎曲來實現身體的收縮運動。而我們設計的機器人則使用履帶作為行進方式，可以進行直線式驅動。

6.蛇形機器人電源設計

蛇形機器人的電源供給方式有兩種方案：電源線供電和電池供電。有線供電能最大程度上保證續航，但電源線的存在給機器人的行動造成了很大的困難。電池供電可以在一定程度上提高機器人運動的靈活性以及對環境的適應能力，但續航能力取決于電池的容量，大容量電池的質量和體積非常大，也會對機器人的運行造成影響。綜合考慮，采取電源線供電和電池供電相結合的方式較為理想，當供電線路在影響機器人運動時，機器人可以分離供電線后依靠移動電源供能而自行運動。在固定地點工作或者實驗過程中，利用線路供能，可同時將現場的情況傳回監控中，方便救援人員更好地掌握現場的情況。

7.結語

本文設計蛇形機器人的機械結構，并將其應用到蛇形仿生機器人系統中。經過測試，系統可以順利完成目標動作。蛇形機構的選擇直接決定了其運動的功能。未來蛇形機器人結構設計和連接方式的開發將遵循通用性、經濟性和魯棒性的原則，且其結構設計也將沿著可重構性方向獲得延拓升級發展。

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基金項目：國家級大學生創新創業訓練計劃項目“蛇形仿生機器人”（202110066008）

作者簡介：代亞坤（2001-），男，本科生，自動化專業。