【文章內(nèi)容簡介】 為微動開關(guān)和各關(guān)節(jié)的角度傳感器）。在運動傳遞的過程中，各關(guān)節(jié)在執(zhí)行動作前，先根據(jù)本關(guān)節(jié)處的傳感器情況計算運動參數(shù)，再執(zhí)行動作。中樞控制器負責處理全局的傳感器，并把根據(jù)決策邏輯得出的運動修正指令發(fā)給各關(guān)節(jié)，以完成對特定情況的集中控制。 加入描述時間影響的參數(shù)和外界信號的參數(shù)，在實驗中我們得出仿生蛇運動模式發(fā)生器的數(shù)學描述。2)蛇形機器人的運動模式發(fā)生器數(shù)學描述及中樞控制器簡述 如果把蛇體抽象為一桿數(shù)為N的桿系，可以把上述包含外部反饋參數(shù)、時間參數(shù)的運動模式發(fā)生器描述如下（設運動從零時刻開始）：K(N,t) = K(N1,tΔ(t)) + C1*Σ(C2*t*ω(t1)) + C3*L(t1) ( 1 )當前狀態(tài)上一個相位狀態(tài)外界信號修正值前次動作修正值其中: a ) K(N,t)為t時刻第N節(jié)的狀態(tài)。(這里的狀態(tài)包括位置、速度、加速度以及相應的電機轉(zhuǎn)速等參量)b ) C1為權(quán)值，代表當前狀態(tài)與以前運動結(jié)果的關(guān)聯(lián)度，C1*Σ(C2*t*ω(t1))綜合描述了外界信號對蛇體動作的影響；c ) ω(t1)為上一時刻蛇體接受到的外界信號的函數(shù)，此參數(shù)描述了蛇體的外界信號接口，并且補償由于時間流逝造成的外界影響越來越大，以至于當前控制命令被忽略的問題（這個問題在試驗的初期出現(xiàn)過，由于時間流逝造成C1*Σ(C2*t*ω(t1))項越來越大，以至于主要控制指令項K(N1,tΔ(t))可忽略）；d ) C2*t為權(quán)值與時間衰減系數(shù)之積，描述了時間流逝對蛇的記憶產(chǎn)生的影響，兩個分立動作之間時間間隔越長，前者對后者的影響也就越小，C2通過試驗確定；e ) C3為權(quán)值，通過試驗確定一組值，再在符合給定條件的時候賦給相應的控制變量；L(t1)項描述了蛇體上一時刻的狀態(tài)對當前狀態(tài)的影響。此參數(shù)非常重要，因為某些動作能否完成取決于上一時刻蛇體的狀態(tài)，比如上一時刻蛇體處于翻倒的狀態(tài)，則當前時刻“眼鏡蛇式側(cè)移”是無法完成的，這樣就要求翻倒后L(t1)能趨于某個極限，這樣則K(N,t)K(N,t1)，即蛇體不會動；不動的狀態(tài)持續(xù)一定時間，當外界信號修正值C1*Σ(C2*t*ω(t1))達到給定閾值且相應標志值為真時，L(t1)恢復原值，蛇體自動執(zhí)行翻身動作，恢復正常相位； 該運動模式發(fā)生器的自適應能力表現(xiàn)為：假設遇到未知的障礙無法逾越，它會表現(xiàn)為重復同一個運動模式；由于時間參數(shù)和外部信號參數(shù)的存在，時間參數(shù)和外部信號參數(shù)會影響并逐漸改變運動模式發(fā)生器所產(chǎn)生的運動。調(diào)整這種改變的方向，就可以使這種運動的改變朝適應環(huán)境的方向發(fā)展。 仿生蛇的關(guān)節(jié)也會按照協(xié)議向中樞控制器報告其局部傳感器的結(jié)果，中樞控制器通過決策算法調(diào)整運動，并調(diào)整運動模式發(fā)生器的改變方向，以適應未知障礙。 例如，在地形為一個半徑較大的球臺表面的時候，由于無法預知地面特征，仿生蛇會首先按照平地的模式蠕動前進；但是由于蛇體中部關(guān)節(jié)的電機無法承受前后兩端下墜的扭矩，無法完成運動要求，只能依照地形貼在地面；這樣會造成各關(guān)節(jié)的預定位置與傳感器所顯示的實際位置存在差距。因為這個差距，反映關(guān)節(jié)角度信號的外部信號參數(shù)會逐漸累積，并在累計到一定程度后使本關(guān)節(jié)的蠕動運動調(diào)整到不再“憋勁”的位置。這樣角度差不再出現(xiàn)，上述外部信號參數(shù)不再改變，地形適應過程結(jié)束。 中樞控制器在物理結(jié)構(gòu)上為無線總線的主機，負責協(xié)調(diào)各個動作，向各關(guān)節(jié)傳遞用于控制行為的參數(shù)，存儲基本動作（即傳遞的第一個動作），并產(chǎn)生開始運動的信號。在必要的時候，中樞控制器可以通過發(fā)送一個控制字，完全取得控制權(quán)，以完成特定目標。 根據(jù)此公式及我們設計的運動要求，我們?yōu)榉律叩闹袠锌刂破髟O計了包括蠕動一個關(guān)節(jié)、扭曲相鄰關(guān)節(jié)、固定一個關(guān)節(jié)在某個相位、放松一個關(guān)節(jié)等基本動作(即K(N,t))，通過（1）的簡化模型： K(N,t)=K(N1,tdt) （2） 中樞控制器把一個蠕動關(guān)節(jié)的動作放在仿生蛇的第一個關(guān)節(jié)后，運動模式發(fā)生器會產(chǎn)生一個完整、平滑、比較自然的蠕動前進的運動，該運動完全不考慮傳感器因素及時間因素。 通過(1)式，我們設計并實現(xiàn)了仿生蛇上樓梯的獨特翻滾運動。此運動不僅包含K(N1,tdt)項，而且包括C1*Σ(C2*t*ω(t1)) + C3*L(t1)項，其中C1*Σ(C2*t*ω(t1))項包括位置參數(shù)和樓梯狀況，由觸動開關(guān)和手動輔助給出（例如樓梯開始和結(jié)束信號）。前次動作修正值由主控計算機保存。經(jīng)實驗證明，這種利用行為主義控制模式產(chǎn)生的運動是合理和高效的。 我們一開始希望仿生蛇運動的自組織通過CPG、人工神經(jīng)網(wǎng)絡來實現(xiàn)。在研究過程中發(fā)現(xiàn)，這樣會大大增加系統(tǒng)復雜度和試驗的不可靠程度，因此我們采用了中樞控制器存儲并觸發(fā)動作，通過無線網(wǎng)絡來傳輸各種觸發(fā)標志和狀態(tài)字，各關(guān)節(jié)處負責具體運動解析的MCU來分別存儲和計算各權(quán)值，以實現(xiàn)“分布集中”式的方案，試驗證明，這樣做是可行的。機器人用兩棲輪設計方案 “仿生蛇”二代采用輪式滾動推進取代第一代多足行走推進,主要目的在于兩棲,現(xiàn)實中動物蛇也確實涉水,倘若使第二代也具有此功能,仿生的意義將被進一步充實和拓展,本文將圍繞兩棲輪總體部署的各零部件設計方略作前期實驗性規(guī)劃,僅此,其具體定型尺寸,有待進一步研究與計算使之與蛇身相匹配. “仿生蛇”第二代總體設計思想中,仍采用分節(jié)獨立運動,形成運動單元,利用兩棲輪驅(qū)動,可分別適應水陸障等多種惡劣的地理環(huán)境,同時也對其設計方案提出嚴峻考驗.一,總體部署:我們將類似輪輻延伸至輪輞以外的葉片機構(gòu)命名為輪附,定義為輪的附屬機構(gòu),其主要作用在于,水中行進時可用做船用明輪推進裝置。越障時可利用其增大軀體為障礙物間摩擦。平地行進時,可自動收縮至輪輞以內(nèi),減小振動. 各運動單元由四個兩棲輪支撐與推進,在水上行進時,其浮力主要來源與輪中設置的浮筒裝置,此裝置除提供自身所需浮力外,還將承擔軀干及其它所有部分漂浮在水上所需浮力. 由于浮筒裝置的設置,輪中必須有絕大部分處于中空狀態(tài),而輪附的工作必須有一定的空間配合,兩者之間存在矛盾,結(jié)果是輪附勢必將浮筒分為若干獨立隔腔,各腔分別保證其所需結(jié)構(gòu)強度,剛度,體積,重量以及密度特性. 輪輞與地面間摩擦系數(shù)要保證,表面初步考慮用橡膠粘貼,其與浮筒輪附以及輪轂的整和問題很重要.二,各主要構(gòu)件基本性能要求及解決辦法. 圖1 輪轂由于受材料限制,浮筒不可能成為主要承重件,陸上行進時,轂輻將主要承重,其剛度,強度要能夠承受軀干全部重量,并且有一定的耐沖擊性能,在一定的振動情況下呢能夠安全的工作,為能夠提供更大浮力,便于軀干部分設計,除了滿足力學性能以外,要讓其盡量輕巧,因此初步考慮選用硬鋁板材,車銑成型,可保證此項要求,略顯不足的是,造價稍高,加工較復雜. 圖2 浮筒浮筒是主要的浮力來源,不希冀其做為主要承重件,但其耐水性要格外注意,同時要求有一定剛度,一面其變形影響其他構(gòu)件工作,因此選用泡沫塑料,但在水中的時候,水對其浮力較大,考慮到泡沫的強度,應該讓其受力盡量均勻,以防止其斷裂.3．主軸圖3 主軸 主軸除承受輪轂輪輻同樣的載荷以外,還將作為兩輪轂的連接固定構(gòu)件,行進時候牽引力矩也由其來傳遞,而扭轉(zhuǎn)矩勢必會引起軸向角應變積累在兩輪轂之間,進而引起輪沿的周向位移,引起輪附與軸的夾角,額外的增加其與滑槽間的摩擦,此其一。其二,由于輪體呈圓柱形,而且母線較長其彎曲變形也應該考慮,因此其剛度問題尤為重要. 綜合上述三項考慮,決定采用輪沿等分12段,12根螺栓繃緊輪體的方案,整個輪的剛度都可以保證,并且可以為粘貼輪輞做支撐.4．輪附 圖4 輪附輪附的設置是該輪的創(chuàng)新點,制作的成功與否直接關(guān)系到各項運動目標的實現(xiàn),設計時候應該考慮到這樣幾個問題.1)壓力角設計思路中,在平地行進時候,地面對其施壓,將其退回至淪亡以內(nèi),越障時候,比如翻越臺階,則要求其有一定伸出,從而“咬”住接觸點,增大摩擦力.輪附的伸出與回縮究竟如何實現(xiàn),在其自由狀態(tài)下,參看圖紙,不能伸出,對輪附的壓力方向不一樣,只要在其運動方向上設置一定的摩擦系數(shù),根據(jù)力學原理,只有當壓力角合適的時候,回縮力才能平衡摩擦力,也就是說,輪附才能回縮,而不同的壓力角對應于不同的地形,于是該運動理論上就可以實現(xiàn),必要條件是摩擦系數(shù)適當,最大伸出量適當.2)驅(qū)動 “輪附”的回縮是地面施壓的結(jié)果,若地面壓力消失,其再伸出怎么驅(qū)動,可以增加自由度,比如用電機驅(qū)動,那一定會給控制程序編制帶來麻煩,且體積有限,給機械加工也帶來困難,不劃算。因此改用彈簧彈性伸縮,壓簧不穩(wěn)定,需要為其制作導桿,為省卻加工步驟,都應該有實驗獲得,否則不可靠.3）強度要求 “輪附”在替代船漿時候，主要承受水的阻力，這個阻力很小；但是當在陸上行走時候，就會有一些特殊情況，比如，一旦輪附回縮受阻，輪的軸心將繞其觸地點做轉(zhuǎn)動，進而抬起身體，這時候它就要吃力，這個力最大可以大到一節(jié)身體的重量，經(jīng)過計算，取安全系數(shù)以后，確定其厚度為3毫米。三，各構(gòu)件零件圖，總裝配圖（附后）四，可行性與可靠性分析1）原理的可行性: “兩棲輪”的主要任務是解決兩棲問題,既可以在陸上代替車輪,又可以在水中有類試明輪的功用,如何將二者結(jié)合起來成為關(guān)鍵問題. 在水上行進時首先要求其為機器人提供一定浮力,然后 才能在此基礎上由機器人動力系統(tǒng)提供前進 ,壓水前進。在陸上行進時,葉片由于受地面壓力回自動回縮進輪輞以內(nèi),代替普通車輪. 綜上所述,只要解決浮力與葉片的回縮以及兩者間的矛盾,兩棲輪就可以實現(xiàn).: 提供浮力需要排水,要求輪體有必須的實體體積,其具體尺寸要在保證自身漂浮所需浮力的基礎上考慮機器人的重力大小,只要用于提供浮力的構(gòu)件相對整個輪體的體積比達到一定大,一定可以提供足夠浮力.: 理論上,葉片的回縮是由地面壓力導致,參看圖紙,但由于各方面原因,其伸縮方向上的摩擦系數(shù)不可能完全理想,參看正文中對“壓力角”的分析,因此安裝調(diào)試必須經(jīng)過一段過成直至其符合要求,但設計方案還是可行的.: 浮力構(gòu)件需要體積,整個輪體幾乎完全有其來填充,這樣,它將被葉片完全或不完全地分割為幾個部分,但葉片的體積相對它來說很小,對浮力不會有大的影響,因此兩者的結(jié)合也沒有問題.2）應用的可行性: 兩棲輪主要應用于“仿生蛇”二代,考慮到技術(shù)問題,只要接口合適,便可與之對接 ,從這個高度上講,兩棲輪的可行性足夠了.萬向接器的設計與可行性報告萬向連接器的主要作用是用來連接仿生蛇各節(jié)，使得仿生蛇能夠很靈活的分開，同時也能很合理的連接上，而且連接上以后還要使的機械手具有自鎖性能。連接與分開的過程不會嚴重影響它各節(jié)的獨立性，譬如說要避免由于作用力的分配不合理導致整節(jié)蛇身工作的不確定性的因素增加。同時還要特別提到的是，連接的與分開的過程不能發(fā)生劇烈的碰撞，所以它還要具有一定的減震性能。各節(jié)連接上時由于作用力比較大，所以又要求它具有比較好的剛度。萬向連接器作為仿生蛇不可或缺的一部分，它的設計是否合理將直接影響到它的功能的發(fā)揮以及完成任務的能力。因此下面我將著重介紹一下它的設計思路與機構(gòu)和它的制作工藝。（機械手的零件圖見附圖）整個機械手它要完成空間錐體成60度的空間運動。所以我的設計思路是：在一個能形成內(nèi)球的鋁或是其他金屬上完成它的設計。其設計要求和尺寸見零件圖中的尺寸，由于零件尚還有不完善之處，它只是代表了一個大概的思路，它的完善還有待實踐來證明。機械手部分的球空腔采用鍛壓成型的生產(chǎn)工藝來完成，球的直徑是20毫米，材料采用鋁合金或是45號鋼，具體的取材還要通過實驗來確定。整個機械手組合以后的尺寸是30*30*28（25）毫米。至于為什么采用鍛壓成型的生產(chǎn)工藝，主要是考慮到整體的加工難度和它的內(nèi)表面的粗糙度整體來衡量的。下面就它的加工工藝做以下的說明：取30*15*30的鋁合金塊或是45號鋼方塊進行加熱，當溫度達到鍛壓溫度以后進行鍛壓，總共要完成的零件數(shù)是24件。這部分完成后將對零件進行機械車削，零件S的A表面需要鉆一個直徑為5毫米的螺紋孔。它的作用是為了使得零件S能夠通過螺栓的連接在零件N上做平移運動。同時要使得 。與之相配合的零件S表面的粗糙度要求也是一樣的。零件S的加工要求見零件圖紙。在零件的A表面的中央焊接一個螺母，螺母的具體尺寸還無法確定，它需要根據(jù)實際情況來確定它要多大的尺寸，特別是蛇的總體質(zhì)量。同時與之相配的螺桿的具體設計是這樣的：以螺桿中點為分界點，左右兩邊的螺紋旋向相反，這樣以來，當螺桿旋轉(zhuǎn)時，兩個零件S就能夠?qū)崿F(xiàn)運動方向相反的運動了，同時還利用了螺紋螺桿的自鎖性能，這樣的話，零件的設計就已經(jīng)完全達到了它的設計要求。整個設計的機械手還需要做零件強度試驗，希望領導能夠大力支持。仿生蛇升降云臺設計原理 仿生蛇升降云臺是仿生蛇的視頻模塊、機器手基座平臺，它主要用于承載整個觀察、操作系統(tǒng)，要求有500克的承載量，并且能在觀察系統(tǒng)萬向轉(zhuǎn)動時，升降云臺不發(fā)生扭轉(zhuǎn)搖動，保證很好的穩(wěn)定性。模塊移動時不發(fā)生明顯的彎曲變形，并且在小角度傾斜時不會翻轉(zhuǎn)倒覆。因此，這要求云臺的設計保證很大的強度，又要盡量減輕自身質(zhì)量，這就需要高性能的材料。同時，云臺能伸縮自如，這對機械加工精度要求很高。在保證該機構(gòu)優(yōu)良好的運行情況，特采用渦輪渦桿機構(gòu)實現(xiàn)傳動，連桿機構(gòu)實現(xiàn)云臺上升?，F(xiàn)就云臺各部分的組成功能，設計要求，及加工制作方案分述如下：組成功能：該云臺由兩部分組成，一是由渦輪渦桿實現(xiàn)傳動機構(gòu)；該機構(gòu)由一臺直流電機實現(xiàn)水平傳動，假設X方向運動，渦輪在X=3~ 的水平軸上運動，當處在X=3時該機構(gòu)上升最大，當模塊上升到最高位置時，云臺高度要達到80（cm）。當X=，*8*6（cm）。要實現(xiàn)云臺抻縮自如，要求渦輪渦桿反