一种凸轮式机械仿生蛇

江嘉泰 杨志凌* 吴海峰 刘奇龙 岳 权 黄小宇

（1.华北电力大学 能源动力与机械工程学院，北京 100096；2.华北电力大学 控制与计算机工程学院，北京 100096）

蛇类是爬行动物中最庞大的一类，约2 700种，遍布世界各地[1]。生物蛇的运动在具有高自由度的同时具有鲁棒性和稳定性，使得蛇形机器人在面对未知复杂环境时有更多的可能。蛇形机器人对地形的适应能力要强于传统的轮式机器人和腿式机器人[2]，可以应用在狭窄复杂的地形环境和人工作业有安全风险的场合。此外，一端固定的高自由度蛇形机械臂在航空航天等领域中也发挥了重要作用[3]。

国外对蛇形机器人的研究较早。1972年，东京大学的HIROSE教授成功研制了第一台仿生蛇形机器人[4]，自此多个国家的研究人员先后投入仿生蛇形机器人的研究。我国在这方面的起步较晚，但发展迅速。中国科学院、国防科技大学等国内高校对其进行了相关研究，并取得了很大进展[5-6]。近年来，有关仿生蛇形机器人的研究层出不穷[7-13]。

生物蛇的身体复杂且具有高度的合理性，用机械结构完全模拟其结构几乎不可能[14]，所以需要通过对生物蛇的研究获得其运动所需的基本条件，并设法使用机械结构满足这些条件。

1 仿生蛇的研究

1.1 运动方式

生物蛇常规的运动方式共有4种，其中蜿蜒爬行是生物蛇最常见的运动方式。生物蛇在蜿蜒爬行过程中摆动身体传递波形[1-2]，蛇体相对地面沿前进方向运动，同时蛇腹部鳞片的特殊结构使得前向的平均摩擦系数显著大于后向的平均摩擦系数，而左右向的摩擦系数则相差较小[15]。利用腹部鳞片的摩擦特性，生物蛇在摆动中获得了向前的运动推力。

蜿蜒运动也是目前仿生蛇形机器人应用最多的运动方式，本文亦采取这种运动方式，并参照HIROSE教授提出的蜿蜒曲线（serpenoid曲线）进行模拟运动，以指导机械结构的设计。

1.2 身体结构

蛇类有130～500个脊椎骨，每两个脊椎骨之间可以做到在水平和竖直方向自由运动。蛇类的灵活性来源于这些脊椎骨的运动[2]。机械上有多种方式来模拟蛇类的高度灵活性，较常使用的方法有平行连接（转动副的轴线相互平行，结构简单，但只能在平面运动）、正交连接（相邻转动副轴线互相垂直，结构相对简单）以及万向节连接（具有良好的空间灵活性，但结构复杂难以控制）[16]。

2 仿生蛇结构设计

2.1 蛇形机器人总体结构

仿生蛇型机器人由蛇头和蛇身两部分组成。蛇身是其中最主要的部分，由6个小关节组成，负责执行运动和支撑保护整体。蛇头安装有摄像头，负责图像传输与适应地形。

2.2 结构方案设计

2.2.1 整体结构

蛇形机器人目前常见的结构如前所述，经过综合考虑，选用垂直正交的关节连接方式。正交连接利用两个互相垂直的转动副模拟蛇类灵活的身体，结构相对简单，制造成本相对低廉[16]。因为采取了凸轮作为传动方式，所以在垂直地面的转动副基础上附加设有六边形的孔，并附加间隙配合的轴以传递转矩。

蛇体底部的摩擦系数各自具有向异性，本文选择无从动轮设计。机械蛇的整体由正交连接的关节组成的蛇身和蛇头组成，如图1所示。

图1 蛇体

2.2.2 结构方案设计

设计采用凸轮作为控制机器人运动的传动装置，结构简单，易于维护，且可在较大程度上降低对蛇形机器人机电控制的要求。根据serpenoid曲线制作凸轮作为运动的执行机构，通过凸轮的旋转即可得到所需要的运动规律。

根据连杆式蛇体，曲线上关节角（相邻连杆间的夹角）变化函数[18]可得到

用常数A代替，A的值可以由希望设定的蛇体最大连杆角确定。为了计算简便，不妨设杆有初始偏角，大小为A，最终可得

式（2）为凸轮摆动从动件的运动规律。根据这一规律对曲线凸轮进行设计计算，当凸轮绕轴线旋转时，被带动的摆杆的运动即是蛇形机器人所需的运动规律。根据结构设计确定凸轮的基圆半径r，根据所需摆角θ确定常数A、摆杆长度l以及圆柱的高h。经过实验选择各参数如下：r=15 mm，θ=22°，A=0.698，l=14 mm，h=41 mm。

为了能够使凸轮摆杆精确地按照凸轮曲线的规律运动，采用一种新型圆柱凸轮机构[19]，并在原有基础上进行改进，以适应蛇体的设计，如图2所示。改造后的机构对应于凸轮的同步灵活度要弱于原有设计，但更适于蛇体结构的设计。

图2 新型的圆柱凸轮机构

通过应用凸轮机构，简化了仿生蛇的控制。通过舵机的单方向转动即可实现仿生蛇的蜿蜒爬行功能，而使用传统的驱动方案需要更复杂的操控方法。理论上，该方案可以最大限度简化操控方法[11-12]。

2.2.3 驱动方案设计

目前，蛇形机器人的仿生驱动方式有齿轮轮系驱动[16]、多个舵机直接驱动[20]以及人工肌肉驱动[21]等，其中多数需要采用伺服电机。设计运用凸轮传动则可使用舵机通过齿轮啮合传动。舵机采用大疆生产的RoboMaster M2006 P36电机，体积小，重量轻，功率密度高，可变速范围广。为了尽量利用蛇体空间，减小蛇体外形尺寸，选择模数为1，齿数分别为30和43的一对齿轮啮合传动。

2.3 单元结构设计

设计中蛇体采用模块化设计。蛇头搭载摄像机可完成图像录制和储存工作。蛇头设计为特殊形状，以适应复杂的环境。蛇头与蛇身相对独立，可单独拆解，之后可根据需要设计、更换新的蛇头。

蛇身的正交关节由竖直转动和水平转动两种分段组成，目前只在前者上安装有传动装置。为了保证强度和刚度，在各支撑处设计有加强筋。蛇体目前可实现在水平面内的蜿蜒爬行，同时对环境的适应程度优于纯平面移动的设计。

2.4 蛇体控制

蛇体控制方面采用大疆单片机C板，向电机输入指令。得益于使用凸轮机构，电机的控制得以简化。由于机械蛇扭动过程中3个关节受力情况不同，故需要对蛇身3个部分赋予一定差异的速度，以达到更好的模拟效果。

3 结语

通过对生物蛇的运动和身体结构的分析，采用正交连接的模块化蛇体关节，设计了一种运用圆柱凸轮机构的仿生蛇型机器人，简化了蛇形机器人的结构和电机控制。鉴于本设计目前只能在平面移动，后续将重点研究蛇体空间运动。