蛇形机器人说明书 - 图文(2)

由于生物蛇鳞片和关节的数目相当庞大，蛇类生物可以近似看作是一种“没有关节、柔性的”运动体。英国Heriot-Watt大学的G.Robinson和J.B.C.Davies基于生物蛇高度灵活性和机动性，进一步提出了连续机器人的设计思想，并通过不同形式和结构的液压驱动“人工筋”研制出不包含刚性联接和扭转关节的机器蛇系统，该系统有较好的环境适应性，但也带来了体态控制困难、结构复杂和难以微型化的问题。在现阶段，要实现完全仿蛇运动的第一类蛇形机器人存在运动不能适应自然环境和控制困难等问题。

蛇之所以没有足也能运动，是因为它的皮肤和地面产生了摩擦力，推动自身前进，所以只要能和地面产生推动自身的摩擦力就行，不一定非要模仿蛇的运动方式，要模仿的最主要的是蛇的身体姿态变化能力。

综合以上因素考虑，决定选择第二类蛇形机器人进行改进设计。

2.2具体的设计方案

为了达到设计目的，基本思路是设计一种由轮子演化出来的叶片轮，叶片轮将路面凸起或者小的障碍物卡在两叶片之间，产生很大的摩擦力驱动蛇形机器人前进，越障能力能够大大提高。蛇形机器人设计为5节，共有4个关节，每个关节有两个舵机，通过控制关节处的舵机能够实现蛇形机器人姿态的改变，一个舵机控制关节的上下运动，一个舵机控制关节的左右运动，在关节处还设计了一个旋转轴，每个关节有三个自由度。

蛇形机器人的控制采用人为遥控的方式。为了让蛇形机器人能够脱离遥控者视线范围执行任务，在其头部搭载的无线摄像头能够将自身周围环境的图像实时传送到控制一方的显示器上，控制者通过图像控制遥控器，遥控器将控制信号通过无线方式传送给遥控接收器，遥控接收器将控制信号传给主控单片机解码，再控制电机、舵机的动作，实现蛇形机器人运动的遥控控制。流程图如2-3所示。

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图2-3 蛇形机器人工作流程图

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第三章 机械部分

3.1主要技术指标

综合实际应用情况、零件材料情况和现有蛇形机器人的技术指标，确定初步的主要技术指标，见表3-1。

表3-1 主要技术指标

项目 数据 长/mm 500 宽/mm 70 高/mm 70 净重/kg 1 最大速度m/s 续航时间/h 0.20 1小时 平均功耗/w 10 采用微型直流减速电机驱动叶片轮，每节机身两个直流减速电机，体积为25mm×12mm×10mm。电压U电机=8V时，负载电流I电机=80mA，负载速度

V电机=1 rad/s，扭矩1kg/cm，质量5g。关节舵机采用MS533，体积为

23mm×12mm×30mm。电压U舵机=5V时，扭矩1.8kg/cm，负载电流I舵机=100mA，质量9g。

设叶片轮直径R=70m m，则蛇形机器人最大运动速度：

V蛇=3.14?R?V电机 =3.14?7cm?1rad/s （式3.1） =21.98cm/s共有10个直流减速电机和8个舵机，最大功率为：

P?U电机?I电机?N电机+U舵机?I舵机?N舵机 =8V?80ma?10+5V?100ma?8 =12.4W （式3.2）

由于直流减速电机和舵机不可能全部同时工作，所以平均功耗约为10W。

3.2叶片轮设计

为确保蛇形机器人上下两面都不接触到地面，两面都能行走，设计叶片轮直径为70mm，安装在4mm高的机身上。根据直流减速电机和舵机的体积参数，确定机身的长×宽×高为90mm×55mm×15mm。叶片轮三维设计图如图3-1所示，机身三维设计图如图3-2所示。

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图3-1 叶片轮三维设计图 图3-2机身三维设计图

3.3叶片轮的材料和结构

叶片轮的叶片采用厚度为0.28mm、宽为7mm的闹钟发条制作，优点是重量轻，弹性好。将卷曲的钟表发条拉直，并截成3.5cm的小节，将叶片顶部弯成一定的弯度，以防止前进时将杂物卷起卡住叶片轮，制作完成后的叶片如图3-3所示。

图3-3叶片 图3-4 叶片轮

连接叶片和直流减速电机的轴套采用6mm厚的铝板线切割而成，用钻头在设计位置钻孔，将叶片插入后用螺栓固定，并套上橡胶管增加摩擦力，制作完成后的叶片轮如图3-4所示。

直流减速电机的输出轴呈扁平状，故将铝质轴套中心孔加工成对应的形状以保证直流减速电机与叶片轮的紧密连接，叶片轮的安装如图3-5所示。

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图3-5 叶片轮安装图

3.4机身的结构和安装

蛇形机器人的机身采用1mm厚的铝板制作，强度足够且加工容易。结构见图3-6，铝板机身及直流减速电机的安装如图3-7所示。

图3-7 铝板机身及直流减速电机安装

3.5舵机的选择与改装

蛇形机器人关节设计采用舵机控制。从节约成本和综合性能的角度考虑，选择航模上使用的数码舵机MS533，其各项技术指标基本满足要求，但这种舵机只有一个动力输出轴，而机器人舵机需要两根轴才能固定，所以需要改装。改装后的舵机如图3-8

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