试论机器蛇的行波运动控制分析与研究

廖秋兰 张玉玲

摘 要：机器蛇应用仿生原理进行设计，主要应用于人类难以触及的工作领域，具有重要的现实意义。基于此，本文就机器蛇的行波运动控制进行研究，首先就机器蛇的设计现状进行分析，主要说明机器蛇的设计特点和系统组成，然后对机器蛇的行波运动原理进行详细分析，最后通过建立三维模型、求出行波运动方程、确定运动控制参数、进行行波运动实验，对课题展开深入的分析和研究。

关键词：机器蛇；行波运动；控制分析

引言：随着科学技术的不断进步，仿生机器人技术的发展速度也越来越快，很多领域都已经对相关研发成果进行有效的应用。机器蛇作为仿生机器人中的典型代表，主要对蛇的体型和运动特征进行模仿，因此运动效率较高，能够應用于很多人类无法工作的环境中，但是当前机器蛇行波运动的研究还不够深入，无法满足于复杂环境中的运动和作业。为了提升机器蛇的应用水平，研究这一课题是很有必要的。

一、机器蛇的设计现状

（一）机器蛇的设计特点

随着社会经济的不断发展，仿生机器人逐渐得到广泛的应用，在特殊工作环境下发挥重要作用。普通仿生机器人的运动模式都由履带或轮子进行控制，而机器蛇对蛇的运动模式进行模仿，因此控制的方式也具有独特性，可以实现更加自由的运动，从而使仿生机器人的应用领域得到进一步拓宽。机器蛇的优势主要体现在以下几个方面：一是机器蛇的身体细长，因此可以在狭窄的工作环境中作业；二是机器蛇的环境适应性强，因此可以在危险复杂的环境中作业，例如废墟搜救、地下探测等，因此国内外对机器蛇的研究非常热门。

（二）机器蛇的系统组成

机器蛇整个体统主要由五个部分组成，分别是机械模块、控制模块、供电模块、避障模块和通信模块。机械模块是机器蛇的主体部分，主要包括蛇身、蛇头和蛇尾；控制模块主要包括主控芯片和从控芯片，是机器蛇的大脑，指挥机器蛇的运动，并从事各项工作；供电模块主要包括电池模块和稳压电路，是机器蛇的动能来源，支撑机器蛇的正常操作；避障模块包括压力传感器和红外传感器，主要对机器蛇行进路线上的障碍产生反应，避免机器蛇撞击外物受到伤害；通信模块主要依据无线传输系统实现操控指令的接收和传送，保障机器蛇的有效操控。

二、机器蛇的行波运动原理分析

机器蛇的行波运动充分应用仿生学的原理，对生物蛇和部分昆虫的运动方式进行模拟。一般生物和昆虫在运动过程中主要借助肌肉的收缩运动和伸张运动产生动能，从而获得前进的动力。蛇是一种独特的软体爬行动物，在爬行过程中，生物蛇会以肌肉的静止部分作为支点，其他部分发生收缩或伸张，以此获得前进的动力，当反复这个动作时，就形成了生物蛇的行波运动，因此机器蛇的仿生也应用这种运动方式，具体来看，需要做到以下几个方面：其一，机器蛇内部应该具备机械的联合作用，从而通过身体的伸缩和弯曲动作改变头尾之间的距离，获得向前的动能；其二，机器蛇与地面应该具有一定的接触面积，以此获得来自地面的反作用力；其三，机器蛇与地面接触部分所产生的力和力的方向应该是灵活变化的，不能是静止状态。

综上所述，机器蛇的行波运动原理是依据机器蛇与地面接触部分所产生的竖直行波实现机器蛇的运动。在行波运动的过程中，机器蛇的运动形态会随着各个关节和接触面之间的作用力大小和作用力方向而发生相应的改变。机器蛇与生物蛇相比不会受到特殊摩擦力的限制，因此运动的范围更加广阔，可以无障碍爬行楼梯、沟壑、管道等复杂的工作环境。

三、机器蛇的行波运动控制分析

（一）建立三维模型

本论文对机器蛇行波运动的控制分析主要利用建立三维模型的方式，以Webots移动机器人仿真软件对机器蛇的行波运动进行模拟实验。建立机器蛇行波运动的三维模型主要经过以下几个步骤：其一，对机器蛇行波运动的环境进行建模；其二，对机器蛇的造型进行建模；其三，对模型的参数进行设置；其四，编写机器蛇行波运动控制系统的程序；其五，对机器蛇行波运动的控制进行仿真实验。在Webots移动机器人仿真软件的伺服舵机节点模块中，将机器蛇的关节设置为 毫升，由10个关节模块共同构成蛇身，并且由相应数量的舵机模块给予驱动，实现机器蛇各关节作用力和作用力方向的变化。

（二）行波运动方程

对国内外相关研究文献进行参考，发现机器蛇的运动轨迹呈现正弦变化的关系，因此可以根据正弦变化的运动曲线确定机器蛇在平面运动中的行波运动方程。通过简化Serpenoid曲线得到的行波运动方程如下所示：

（三）确定控制参数

在确定机器蛇行波运动的方程后，需要对控制参数进行调整，从而分析控制参数对机器蛇行波运动的影响。从行波运动方程可以看到，机器蛇行波运动的控制参数主要有三个，分别是ω 、α 和β 。其中ω 主要对机器蛇的运动速度进行控制，但是在行波运动的过程中，ω 没有明显的影响；α 主要对机器蛇行波曲线的幅值造成影响；β 主要影响机器蛇头部和尾部各关节的相位差。因此综合来看，α 和β 是影响机器蛇行波运动的两个关键控制参数[1]。

就a 的影响效果进行分析：对a =0.2、0.4、和0.6时，发现机器蛇关节的运动幅度会增加，因此相位差也会相应增加，但是 取值过小的话无法为机器蛇提供足够的动能，取值过大的话会影响机器蛇的运动状态，因此通过调整确定a 的取值范围为0.2到0.9之间。

就β 的影响效果进行分析：对 进行不同大小的取值时，发现β 会发生明显的变化。因此确定a 的取值在0.2和0.9这一合理范围内，对β取值为0.5、1.0、1.5、2.0，发现β在小于0.5的时候无法形成完整的曲线运动周期，而随着取值的增大周期也在不断增加，当超过2后就无法进行正常的行波运动，因此确定β 的取值范围在0.5和2.0之间。

（四）行波运动实验

根据机器蛇行波运动的方程和合理的控制参数进行实验，对机器蛇行波运动的状态进行分析和证明。实验选择 毫升长短的机器蛇，将a在0.2和0.9之间依次取值，将β 在0.5和2.0之间以此取值，最终对机器蛇行波运动的幅值进行观察，证明控制参数和行波运动方程满足控制机器蛇行波运动的需求[2]。

结论：综上所述，针对机器蛇的行波运动控制的研究是非常必要的。本文主要分析机器蛇行波运动的原理，然后通过Webots移动机器人仿真软件建立三维模型，对机器人的运动方式进行模拟，并且求出行波运动方程，确定运动控制参数，最后利用行波运动实验对结论进行验证，探究机器蛇运动形状与各项控制参数之间的关系，最终实现对机器人的行波运动控制。希望本文能够为研究机器蛇的行波运动控制的相关人员提供参考。

参考文献：

[1]李东方，李科伟.基于人工势场与IB-LBM的机器蛇水中2D避障控制算法[J/OL].机器人：1-14.

[2]蔡建羡，于瑞红.机器蛇的行波运动控制分析与研究[J].计算机测量与控制，2013，21（01）：106-107+111.

作者简介：

廖秋兰，女 1997年，民族汉，籍贯四川省南充市，学历在读大三，主要研究方向或所学专业自动化、控制

张玉玲，成都理工大学

通讯作者：廖秋兰，成都理工大学