一种蛇形机器人的设计

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轮式蛇形机器人设计及运动探析

轮式蛇形机器人设计及运动探析
赵岩
【期刊名称】《机器人产业》
【年(卷),期】2024()3
【摘要】本文主要研究了轮式蛇形机器人设计及运动内容,基于机械结构的约束,根据生物蛇蜿蜒运动曲线设计了三连杆轮式蛇形机器人运动模型。

为强化轮式蛇形机器人设计水平,结合具体实验明确对机器人运行速度影响较大的因素。

实验发现最大摆角和相位角是主要影响因素。

采取多组别实验对比,采用表格记录方式分析最佳设计方案。

最终发现,最大摆角为45°、相位角为20°的轮式蛇形机器人运行速度最快。

【总页数】5页(P81-85)
【作者】赵岩
【作者单位】大唐凉山新能源有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TP2
【相关文献】
1.基于多运动步态的蛇形机器人设计与研究
2.一种波纹管蛇形机器人的结构设计及运动分析
3.三连杆轮式蛇形机器人设计及运动分析
4.蛇形供水管道机器人头部结构设计与运动学分析
5.一种蛇形管道机器人结构设计及运动分析
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一种新型的攀爬蛇形机器人

第20 卷第1期苏州市职业大学学报 V ol.20,No.1 2009年3月 Journal of Suzhou V ocational University Mar. , 2009一种新型的攀爬蛇形机器人孙洪（苏州市职业大学电子信息工程系，江苏苏州 215104）摘要：针对蛇形机器人最常采用的三种关节连接方式:平行连接、正交连接和万向节连接,通过典型实例进行了工作空间的分析和比较,提出了一种具有万向节功能的P -R(pitch -roll)模块.该模块结构简单、便于控制,所组成的蛇形机器人理论上可以实现各种三维攀爬动作.最后通过研制的新型攀爬蛇形机器人样机,验证了P -R模块的可实现和灵活性．关键词：蛇形机器人；平行连接；正交连接；万向节连接；P -R模块；工作空间中图分类号：TP242 文献标志码：A 文章编号：1008-5475(2009)01-0027-05A New Style Climbing Snakelike RobotSUN Hong(Department of Electronic Information Engineering, Suzhou Vocational University, Suzhou 215104, China)Abstract: Three most dominant joints' links, namely parallel link, orthogonal link and universal jointlink, of snakelike robot were presented by typical models. Based on examples, their operating spaceswere analyzed and compared. Then a new functional module for joints' combination, named Pitch -Roll, was presented. This module has the function of universal joint, but is simpler to implementand easier to control. A snakelike robot based on this link module can theoretically perform all typesof maneuvers in 3D spaces. Finally, the prototype of a new type snakelike robot based on the P -Rmodule was produced, which further verified the agility of P -R module.Key words: snakelike robot; parallel link; orthogonal link; universal joint link; P -R module;operating space收稿日期：2008-11-26；修回日期：2009-01-16作者简介：孙洪(1972-),女,山东济南人,讲师,博士,主要从事工业机器人和仿生机器人研究.蛇形机器人是仿生机器人研究中很活跃的一支,从1972年日本东京大学的Hirose 教授研制出第一台样机至今,相继有数十台蛇形机器人样机问世.这些样机能实现在平面上蜿蜒爬行、侧滑、翻滚等二维运动,在爬行中抬头或爬台阶、翻越较低障碍等三维运动,而对于更为复杂的如爬树等三维运动则甚为少见.本文将通过典型实例对几种样机的连接方式进行分析比较,提出一种新的连接方式,并基于该连接方式研制蛇形机器人样机,以期能够开发出结构简单、便于控制、具有多种运动模式的、能爬树的攀爬型蛇形机器人,它可实现空中侦察、管外壁检测、电杆高空线路维修等功能,其应用前景十分广阔.1 常见蛇形机器人关节连接方式蛇形机器人是一种无固定基座、多关节、多自由度的链式柔性机器人,它由多个相同或相似的单元模块连接组成,其运动模式和工作空间决定于各单元模块间的连接方式.综合考察各种样机,蛇形机器!!!!!!!!!!!!!!!Ǆc* !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!Ǆd*ZYXZYXZYXZYXP RHEF I4 结论本文采用P-R 模块所研制成功的一种新型的具有攀爬功能的蛇形机器人,能实现灵活的三维运动.当前大部分采用平行连接或正交连接的蛇形机器人甚至一端固定的柔性机器人或机械臂,均可通过简单的改造,变成P-R 模块连接方式,从而大大提升其灵活性和工作空间.参考文献：[1] ENDO G, TOGAWA K, HIROSE S. Study on self -contained and terrain adaptive active cord mechanism[J]. IEEEInternational Conference on Intelligent Robots and Systems, 1999, 3: 1399-1405.[2] 周旭升,潘献飞,谭红力,等. 一种蛇形机器人的研制[J].机器人,2002,24(7):684-687.[3] 黄恒,颜国正,丁国清,等. 一类蛇形机器人系统的运动学分析[J].高技术通讯,2002,6(3):90-94.[4] MAKOTO M, SHIGEO H. Three -dimensional serpentine motion and lateral rolling by active cord mechanism ACM -R3 [J].Proceedings of the 2002 IEEE/RSJ Intl, 2002, 1: 829-834.[5] BERNHARD K, KARL L P. GMD -Snake2: a snake -like robot driven by wheels and a method for motion control [J].Proc. of the Internet Content Rating Association, 1999: 3014-3019.[6] AOKI T, OHNO H, HIROSE S. Study on pneumatic mobile robot: design of SSR -II using bridle bellows mechanism [J].Proceedings of the 41st SICE Annual Conference , 2002, 3(5/7): 1492-1496.[7] NILSSON M. Why snake robots need torsion -free joints and how to design them [J]. Proceedings of the 1998 IEEEInternational Conference on Robotics and Automation, 1998, 1: 412-417.(责任编辑：尚丽))b* !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!)c* !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!)d*偠㒧2009年第1期孙洪：一种新型的攀爬蛇形机器人。

蛇形模块化机器人产品及技术介绍

SolidSnake-II——模块化机器蛇概述一、应用背景：近几年来，仿生机器人学正在机器人领域占有越来越重要的位置，蛇形机器人由于其结构的特殊性,已成为仿生领域的研究热点。

蛇形机器人在战场上的扫雷，爆破，矿井和废墟中探测营救，管道维修以及外行星地表探测等条件恶劣，且要求有高可靠性的领域有着广阔的应用前景。

模块化设计和高冗余度设计等新思路的提出和逐步完善，使蛇形机器人成为研究的亮点。

二、SolidSnake II 实验样机概述：SolidSnake II 结合了国内外蛇形机器人的发展现状，充分考虑了蛇类生物的运动特点，从仿生学的角度，结合机器人动力学和摩擦学等的相关理论，建立了基于行为控制理论的蛇类运动学模型，把蛇类生物的复杂运动形式化解为局部的、简单的行波状态，并以固定的相位差沿蛇体进行传播。

采用中央处理机（即蛇的大脑）集中控制的方式把各种运动方式进行合成，实现了机器蛇的蠕动、游动、侧移、侧滚、抬头、翻越障碍物等运动形式。

在对蛇类运动机理深入研究的基础上，得出了利用杆状结构的角度变化和运动时延，相位差去控制机器蛇运动的速率和运动方向的规律，并在实验中得到了验证。

三、solid snake – II 创新点详述一）、模块化的机构设计：采用模块化的机构设计，可以很快的组装一条新蛇，而且结合电路系统，可以实现任意节数的组合，以适应不同的应用场合。

单元体模块组成部件有：两节壳体，两个伺服电机，一块从机控制板。

机械对接接口非常简单，只需要五个螺钉即可对接一个单元体。

一个模块化单元体为一个正交的关节，有两个正交方向的自由度，在机械结构与控制结构上均自成一体，通过总线与其他从机及主机通讯。

标准配置的SolidSnake-II 带有外接电池。

但用户可以自行加装电池到每个单元关节，以便无缆运行。

二）、基于行为控制设计的solid snake – II 电路系统及程序构架：1），电路系统构架：在电路设计上采用分布式底层运动控制——高层中枢决策”的控制逻辑，通过i2c 总线通讯。

仿生蛇运动姿态的机器人

仿生蛇形机器人可以应用在地面探查、地下探查、海底探查、管道敷设和检修、医疗、军用、服务、娱乐等方面。生物蛇无需驱动足, 仅仅依靠自身体态的变化就能在障碍物众多、凹凸不平的环境下行走自如。对于取代人在恶劣的地面条件下的工作有很大的意义。
国内外研究现状
蛇形机器人是仿生机器人研究中很活跃的一支，至今已有数十台蛇形机器人样机问世。这些样机能实现蜿蜒爬行、侧滑、翻滚、避障等二维平面运动，大部分已经具备抬头、爬台阶、翻越较低障碍等在三维空间中的运动能力。现在国内外对于蛇类的仿生都有研究，运动形态主要分为蠕动式和蛇形蜿蜒，但是都存在不足。蠕动式速度较慢且对于蛇的模仿效果不佳；蛇形蜿蜒大多在机器人地步装轮子帮助运动，对于蛇皮的模仿存在不足；机器人只能在水泥地等较为平整的运动，不能适应复杂多变的地形。
研究技术路线
• • • • • • 5、初步估计机器人的基本参数：质量：2kg 直径：8cm~10cm 长度1m~1.5m 速率：20cm/s~30cm/s 运动自由度：蛇身可以在平面上运动；蛇头可以在空间上的三个正交上作平动 • 电机选型：功率1.5w左右的直流伺服电机 • 6、初步机身设计
项目亮点
4、机器人的多种运动可以做到蛇形蜿蜒、翻转、鳗类波动等运动方式 5、水中的波形游动模仿鳗类的全身波形运动
计划安排
• 九月分析蛇形运动，确定蛇皮材料 • 十月关节模块设计，硬件电路设计，软件程序设计 • 十一月完成机器人机械结构设和硬件电路、程序设计 • 十二月调试改进，增强性能 • 一月论文
关键技术
4、不同地面的适应不同地面的摩擦不同，增大电机的功率，改变蛇身运动角度克服这一问题 5、水中的运动水中模仿鳗类做波形运动，蛇头控制运动的方向 6、蛇皮的防水 7、机器人的多种运动样式

一种基于空间连杆机构的蛇形机器人

+ < co s a rcco s + < sin a rcco s +<
a a +c a a +c
2 2 2 2
+π +θ +π +θ ( 1)
2 2 2 a + b + c co s a rc tan
2 2 2 a + b + c sin a rc tan
和
xQ = yQ = zQ =
2 2 2 a + b + c co s a rc tan
心 , 从 O 点到 PO 和 QO 的几何尺寸为 O E = a =
221 5 mm , EF = b = 271 0 mm , FP0 = FQ 0 = c = 451 0 mm ,
O P0 = OQ 0 = a + b + c = 561 8 mm; 令 U 和 V 表示
2 2 2
个蛇身的运动 . 本文下面展示的样机有 9 个骨节 , 由
16 个微型伺服电机驱动 . 关节空间机构的三维实体
模型如图 1 所示 , 以骨节间水平和垂直最大转角为优化目标 , 以整体外形尺寸和电机外形尺寸为约束条件 ,通过实体运动仿真对该空间机构关节参数 (骨节长、宽、高、曲柄长和连杆长 ) 寻优得到的主要参数见表 1. 为了调整蛇形机器人纵横向运动的摩擦系数 ,每个骨节下面安装有两个被动轮 .
Fig . 3 Geometric parameters of joint spatial mechanis m
xP = yP = zP =
2 2 2 a + b + c co s a rc tan

自主柔性变形蛇形机器人控制系统设计

ｒｏｂｏｔｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｂａｓｅｄＯｎＡＲＭｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒＳＴＭ３２ａｓｃｏｒｅｗｉｔｈｍｕｌｔｉ — ｓｅｎｓｏｒｆｕｓｉｏｎ，ａｃｈｉｅｖｉｎｇｒｅｍｏｔｅ
（１．ＢｅｉｊｉｎｇＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＨｉｇｈＤｙｎａｍｉｃＮａｖｉｇａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＢｅｉｊｉｎｇＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｙ，ｇＢｅｉｊｉｎｇ１００１０１，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＢｅｉｊｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＢｕｓｉｎｅｓｓＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００ｏ４８，Ｃｈｉｎａ；３．ＳｃｈｏｏｌｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＢｅｉｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｙ，ｇＢｅｉｊｉｎｇ１０００８４，Ｃｈｉｎａ）
微处理器ＳＴＭ３２为核心、多传感器融合的自主柔性变形蛇形机器人控制系统，实现了机器人的远程监控

基于LPC2131的蛇形机器人控制系统设计

基于LPC2131的蛇形机器人控制系统设计摘要：介绍了基于LPC2131的蛇形机器人控制系统的设计制作过程及特点。

以蛇为模型简化为多关节的蛇形机器人，并以舵机作为关节连接件，模拟了蛇的蜿蜒运动及直线运动，用无线数据传输模块nRF905实现了对蛇形机器人的无线控制，控制距离能够达到100米，而且稳定可靠。

关键词：蛇形机器人；LPC2131；舵机；PWM；调速Design of the control system of the Snakelike Robot Based on LPC2131LI Hongyan Hou Yuanbin（College of electrical and control engineering，Xi’an University of Science and Technology ，Xi’an 710054，China）Abstract：Introduced the design of a snake-like robot control system based on LPC2131 characteristics and the production process. Based on snake model simplification for articulated snake-like robot and servo as joint connectors，impersonates the snake twisting motion and linear motion，by wireless data transmission module nRF905 enables wireless control of snake-like robot control distance up to 100 meters，and is stable and reliable.Key words：snakelike robot；LPC2131；servo；PWM；speed adjustment0 引言蛇是一种无肢动物，它通过身体的扭动和伸缩实现“无肢运动”，这种运动方式具有稳定性好、横截面积小和柔性高等特点。

一种可重构蛇形机器人的研究

与地面的摩擦系数特性。基于以上的思想，本样
收稿日期：&""&—",—"& 基金项目：国家 -’% 高技术研究发展计划资助项目（&""!++#&&%’"）
万方数据
机在机构的底面刻有一定规律的条纹，来增加法向和切向摩擦系数比。 !0# 柔性连接单元设计
· !%(! ·
中国机械工程第 *8 卷第 *, 期 #//@ 年 . 月下半月
!"" 运动的实现蛇的运动模式是有选择的，因为它通常针对
特定的环境显得十分有效。根据蛇形机器人平面
和空间运动学模型，本样机实现了自然界中蛇的
# 种典型运动方式（见图 #）。
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图 # 蛇形机器人典型运动方式的实现
（(）蜿蜒运动蛇形机器人的蜿蜒运动（见图
#$）是运动效率比较高的一种运动方式，它的运动
间的扭转作用产生。目前此类蛇形机器人的代表 !，主要由固定板、智能控制单元、活动板、仿蛇皮
机构有柔性关节单元蛇形机构及二自由度模块组底面、连接板组成。固定板、活动板、连接板材料
成的蛇形机器人机构［#，(］。
为铝合金。智能控制单元由一个控制板和一个直
模块可重构机器人由许多模块组成，这些模流伺服电机组成，整个单元安装在固定板上，活动
播频率是水平面内波传播频率的二倍时，侧向运动的速度和切向运动速度基本相等，最大速度可达 !+!# - . /。
0 结论
本文提出的新型的可重构蛇形机器人机构具有可适应地面形状变化的柔性连接环节和类似于蛇腹鳞摩擦特性的机构底部；手动可重构，当单自由度关节轴线互相平行连接时，该机构可进行平面运动，当单自由度关节轴线垂直依次连接时，形成的蛇形机器人具有两自由度的关节，可进行三维空间运动。建立了该蛇形机器人平面和空间运动学模型，并实现了平面蜿蜒运动、直线运动和伸缩运动，以及空间侧向蜿蜒运动等。

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【关键词】蛇形机器人；仿生；舵机
动舵机完成相应的动作，语音模块以及其他模块也完成指令。
０引言２硬件系统设计
机器人技术涉及到机械、电子、人工智能、传感器、通讯与网络等多个学科和领域，是多种高新技术发展成果的综合集成，代表着现在乃至未来高新技术的发展方向。同时，伴随着它在人类生活应用领域中的不断扩大，引起了各国对机器人技术的开发热潮。作为当代大学生，我们要主动接触新事物，把握当今社会的科技发展方向。目前，对机器人的研究日新月异，研究的方向越来越广阔，尤其越来越注重于仿生机器人的研究…。仿生机器人虽然多种多样，但是对于蛇形机器人的研究大多注重能够实现动作灵敏的在复杂地形中爬行，将所采集到的信息进行实时反馈【２ｌ。但是对其他方面的研究较少。本设计是在能够灵活完成一些蛇的基本动作以及实时检测周围环境的温湿度的基础上，增加够识别颜色的传感器，当检测到一种颜色时，蛇形机器人会发出声音并同时做出相应的动作。最终使机器人实现一种更接近蛇的生活状态。
图１总体设计框图
１．２总体设计
蛇形机器人的总体设计框图如图１所示。接通电源后，当启动模块接收信号会将信号送给微控制器，将整个系统进行初始化。当机器人上的各类传感器接收到各自不同的检测信号后也会反馈给微控制器进行处理，之后微控制器将处理过的信号送给驱动模块、语音模块等，驱动模块通过接收到的信号指令驱
基金项目：西北民族大学２０１６年国家级大学生创新创业训练计划项目（２０１６１０７４２０９０）。
・１３２・电子世界
ＥＬＥＣＴＲ０ＮＩＣＳＷ０ＲＬＤ・
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２．１微控制器采用一块ＩＡＰ１５Ｆ２Ｋ６１Ｓ２单片机作为微控制器，能够响应ＣＤＳ５５１６舵机单元执行相应动作，也可以接收到各类传感器反馈的信号进行处理输出相应的动作指令］。２．２传感模块本设计中用￣ＵＴＣＳ２３０颜色识别传感器、ＤＳ１８Ｂ２０温度传感器、ＤＴＨＩ１湿度传感器、Ｅｌ８．Ｄ８０ＮＫ红外传感器。ＴＣＳ２３０颜色识别传感器用于蛇形机器人对颜色的识别，其具有分辨率高、可编程的颜色选择与输出定标、单电源供电的特点，输出为数字量可直接与微控制器连接。本设计中主要识别红和绿两种颜色，当检测到这两种颜色时，机器人会做出不同的动作并发出声音。温湿度传感器用于检测周围环境的温度和湿度，模仿蛇的感触系统。Ｅｌ８Ｄ８０ＮＫ红外传感器用于障碍物的检测，具有探测距离远、受可见光干扰小的特点，在机器人避障中有很好的优势。２．３语音模块本设计采用ＬＤ３３２０语音模块，是一种基于非特定人语音识别芯片。用于机器人特定状态下发出声音。２．４执行终端由于蛇形机器人的动作的范围较大，需要所连接的每个舵机都能够最大限度的转动角度。所以采用ＣＤＳ５５１６型舵机，它是一款扭矩为１６Ｋｇｆｏｃｍ的数字舵机，采用先进的伺服控制技术和高速微处理器，控制频率高达２５０Ｈｚ，使其响应速度快、到位准确无抖动，伺服控制模式下可转动范围０－３００，具有上位机程序进行舵机角度调整，具备位置、温度、速度、电压反馈，可工作于舵机和电机状态下。
１系统总体设计
１．１设计要求（１）蛇形机器人能够实现自主控制。（２）蛇形机器人能完成蛇爬行过程中一些基本动作并能够躲避障碍物，能够在检测到特定的东西时，做出相应的动作以及发出相应的所示为蛇形机器人动作的软件设计流程图。主要是机器人的动作部分，舵机执行动作的过程。执行步骤：（１）接通电源，启动机器人，并进行初始化。（２）红外传感器进行检测，判断是否有障碍物。同时，多个舵机接收到舵机启动命令，进行初始化。如无障碍物，则机器人根据程序进行相应的动作。如有障碍物，则机器人会通过对应的舵机转动进行避障。特定动作控制，包括２部分：（１）温湿度检测，通过温湿度传感器模块，将检测到的信号以数字信号模式反馈给单片机，单片机将信号进行处理后，
ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳＷＯＲＬＤ・技术交漉
一种蛇形讥器人的设计
西北民族大学电气工程学院赵宇萌郑冰欣易礼周马惠兰
【摘要】设计了一种以蛇形为基础的仿生机器人，以ＩＡＰ１５Ｆ２Ｋ６１ｓ２芯片作为系统的控制核心，通过多台舵机的连接，机器人可以完成类似蛇形的多个动作。该机器人不仅能够自主控制，还能进行温湿度检测、红绿两种颜色的识别，也能通过舵机扭动身体并发出声音。