張 琢，徐志佳，王 俊

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仿生蛇形機(jī)器人結(jié)構(gòu)研究與設(shè)計(jì)*

張 琢1，徐志佳1，王 俊2

（1.貴陽學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，貴州貴陽，550005；
2.中航工業(yè)貴州貴航汽車零部件股份有限公司華陽電氣公司，貴州貴陽，550006）

摘 要：蛇形機(jī)器人各種單元連接結(jié)構(gòu)中，單關(guān)節(jié)內(nèi)萬向節(jié)連接形式具有單元少、結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)性好等優(yōu)點(diǎn)。從生物蛇身體結(jié)構(gòu)出發(fā)，結(jié)合蛇形機(jī)器人工作環(huán)境，設(shè)計(jì)一種單關(guān)節(jié)內(nèi)萬向節(jié)連接形式的仿生蛇形機(jī)器人結(jié)構(gòu)。對(duì)常用萬向節(jié)結(jié)構(gòu)所用十字軸的分體設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化了機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式，機(jī)器人單元長(zhǎng)度為91 mm，單元直徑為80 mm，機(jī)器人零件數(shù)量為521件。

關(guān)鍵詞：仿生機(jī)器人；蛇形機(jī)器人；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1 引言

生物蛇的運(yùn)動(dòng)主要是由脊椎骨（構(gòu)成脊柱）、肋骨（結(jié)構(gòu)周向支撐）、腹鱗（提供摩擦）和與之有關(guān)的肌肉（提供動(dòng)力）共同組成。其脊柱（生物蛇運(yùn)動(dòng)和身體支撐等主要由脊柱完成，圖1）由100～400個(gè)脊椎骨（圖2）組成，每對(duì)脊椎骨之間均形成轉(zhuǎn)動(dòng)副（萬向節(jié)），單個(gè)運(yùn)動(dòng)副能夠進(jìn)行水平10°～20°、垂直2°～3°范圍的轉(zhuǎn)動(dòng)，但由于數(shù)量的優(yōu)勢(shì)，使得生物蛇可以進(jìn)行大幅度的彎曲，也使得其各種運(yùn)動(dòng)形式均能協(xié)調(diào)地進(jìn)行。［1-3］

生物蛇身體構(gòu)造是經(jīng)過自然法則的競(jìng)爭(zhēng)、選取、發(fā)展而來，極具合理性，若用機(jī)械結(jié)構(gòu)完全模擬其結(jié)構(gòu)幾乎不可能，然而機(jī)械結(jié)構(gòu)是機(jī)器人動(dòng)作的必備條件，設(shè)計(jì)出合理的機(jī)器人結(jié)構(gòu)十分重要。

圖1 生物蛇脊柱Fig.1 Biological snane spine

2 蛇形機(jī)器人常用結(jié)構(gòu)

2.1 單元連接結(jié)構(gòu)

Hirose教授經(jīng)過試驗(yàn)研究總結(jié)出來蜿蜒（Ser-penoid）曲線后，產(chǎn)生了多種滿足該曲線的仿生蛇形機(jī)器人結(jié)構(gòu)，常用形式主要有以下幾類。

（1）關(guān)節(jié)間平行方式連接

機(jī)器人兩關(guān)節(jié)之間只能夠繞相互平行的軸旋轉(zhuǎn)（圖3），ACMⅢ［4-9］等較早的蛇形機(jī)器人便屬于此種結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，功能單一。

圖2 生物蛇脊椎骨Fig.2 Biological snake Verterae

圖3 關(guān)節(jié)間平行方式連接簡(jiǎn)圖Fig.3 The diagram of joints and parallel

（2）相鄰關(guān)節(jié)間正交連接

機(jī)器人在單關(guān)節(jié)連接處僅能夠繞單軸旋轉(zhuǎn)，但相鄰兩關(guān)節(jié)之間的旋轉(zhuǎn)軸是正交［10］的（圖4），機(jī)器人可以通過多個(gè)關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)生物蛇脊柱的萬向節(jié)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)空間翻轉(zhuǎn)［11］等三維運(yùn)動(dòng)。此結(jié)構(gòu)相對(duì)第一種結(jié)構(gòu)形式要復(fù)雜，比第一種結(jié)構(gòu)形式接近生物蛇結(jié)構(gòu)。

圖　4 相鄰關(guān)節(jié)間正交連接簡(jiǎn)圖Fig.4 The diagram of orthogonal joints and adjucent connecfion

（3）單關(guān)節(jié)內(nèi)萬向節(jié)連接

機(jī)器人兩單元之間連接為萬向節(jié)結(jié)構(gòu)（圖5），ACM R5、GMD Snakes2［12］等便屬于該結(jié)構(gòu)形式，此結(jié)構(gòu)相對(duì)前兩種結(jié)構(gòu)更接近生物蛇，但比較復(fù)雜，這也是目前普遍使用的一種單元連接形式。

2.2 輔助結(jié)構(gòu)

除采用常用連接方式連接外，還有根據(jù)功能和工作環(huán)境的特殊要求，用繩索輔助連接［13］等方式進(jìn)行輔助連接，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行防水防塵密封設(shè)計(jì)。為使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)，多數(shù)蛇形機(jī)器人還加上從動(dòng)輪或運(yùn)用棘輪機(jī)構(gòu)，如ACM R5、GMD Snake2、AmphiBot II［14］。

圖　5 單關(guān)節(jié)內(nèi)萬向節(jié)連接Fig.5 Vnicersal joinfs intraarticular

3 蛇形機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 作業(yè)環(huán)境分析及功能要求

蛇形機(jī)器人主要在安全性不高的坍塌建筑物、污染嚴(yán)重的下水道等環(huán)境作業(yè)，要求機(jī)器人具有協(xié)調(diào)的運(yùn)動(dòng)步態(tài)、良好的密封性、耐高低溫等特性。要更接近生物蛇的運(yùn)動(dòng)，具有抬頭、蜿蜒、蠕動(dòng)、側(cè)向、翻滾等運(yùn)動(dòng)步態(tài)，在遇障礙物時(shí)能翻越障礙物或規(guī)避障礙。

3.2 對(duì)生物蛇結(jié)構(gòu)的抽象處理

生物蛇兩脊椎骨之間的萬向節(jié)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)范圍有限，但數(shù)量占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，能夠完成多種運(yùn)動(dòng)步態(tài)，在各種環(huán)境能運(yùn)動(dòng)自如。機(jī)械結(jié)構(gòu)數(shù)量上不具優(yōu)勢(shì)，不能對(duì)生物蛇完全模擬，故在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要機(jī)器人兩單元之間轉(zhuǎn)動(dòng)范圍盡量大，以滿足蛇形機(jī)器人的功能要求。

眾多萬向節(jié)［15］結(jié)構(gòu)中，十字軸形式萬向節(jié)最為常見，也非常簡(jiǎn)便，若直接選擇一種十字軸進(jìn)行單元連接，會(huì)縮小機(jī)器人萬向節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度。本次設(shè)計(jì)選用兩軸疊加形式十字軸（如圖6所示），來完成機(jī)器人單元連接，不僅保證機(jī)器人的萬向節(jié)結(jié)構(gòu)，還可增大萬向節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。

圖6 十字軸Fig.6 Cross shaft

3.3 機(jī)器人結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

蛇形機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總要求，是在保證整機(jī)性能基礎(chǔ)上，盡量使結(jié)構(gòu)精、簡(jiǎn)、小。

3.3.1 基本參數(shù)確定

基于蛇形機(jī)器人的相關(guān)要求，對(duì)蛇形機(jī)器人設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行合理選擇。

（1）材料選擇。蛇形機(jī)器人結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要結(jié)構(gòu)滿足剛強(qiáng)度、耐腐蝕等要求，還要使其質(zhì)量盡量小，減小機(jī)器人運(yùn)行過程中動(dòng)力源在負(fù)擔(dān)，選擇合適的材料就異常關(guān)鍵。為保證材料采購成本，除密封材料外，將支撐結(jié)構(gòu)材料統(tǒng)一。

從力學(xué)性能、物理性能、價(jià)格幾方面綜合考慮，對(duì)45號(hào)碳鋼、304不銹鋼、TC4鈦合金、7A09硬質(zhì)鋁合金幾種常用材料分析對(duì)比，選用性價(jià)比高的7A09硬質(zhì)鋁合金作為機(jī)器人結(jié)構(gòu)件材料，其基本性能參數(shù)為：抗拉強(qiáng)度σb=530 MPa，屈服強(qiáng)度σs：=400 MPa，密度ρ：2.85 g/cm3，斷后伸長(zhǎng)率A：6%。

（2）動(dòng)力源。舵機(jī)參數(shù)對(duì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有決定性影響，舵機(jī)尺寸參數(shù)決定著機(jī)器人尺寸和質(zhì)量大小，舵機(jī)驅(qū)動(dòng)扭矩的大小和運(yùn)動(dòng)速度，又是決定機(jī)器人結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的關(guān)鍵因素。所以蛇形機(jī)器人用舵機(jī)需要滿足質(zhì)量小、速度快、輸出扭矩大、占用空間小等要求。在眾多機(jī)器人舵機(jī)中，舵機(jī)DS-238 MG質(zhì)量小、占用空間小，而輸出扭矩較大，適用于小型蛇形機(jī)器人的動(dòng)力源，其參數(shù)如下：

基本尺寸為29×13×30 mm，質(zhì)量為22 g；工作電壓為4.8 V～6.0 V；扭矩為4 kg.cm～4.6 kg.cm；速度為0.15 s/60°（4.8 V）。

（3）能量源。為使機(jī)器人在運(yùn)行過程中，機(jī)器人有足夠能量來源，在機(jī)器人每一個(gè)單元上配一12V鋰離子電池，與控制板一起放置于單元連接支架上，給兩側(cè)舵機(jī)供電。

3.3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）舵機(jī)布局

為實(shí)現(xiàn)蛇形機(jī)器人萬向節(jié)結(jié)構(gòu)的要求，將舵機(jī)輸出軸以相互垂直的形式擺放，機(jī)器人結(jié)構(gòu)形式則變得簡(jiǎn)單可靠。由舵機(jī)外形尺寸、電池尺寸、控制板電路共同決定單元內(nèi)兩舵機(jī)距離，同時(shí)決定了機(jī)器人直徑大小。

舵機(jī)布局形式如圖7所示，舵機(jī)一側(cè)面與單元連接支架貼合，通過擋塊定位，使得機(jī)器人在運(yùn)行過程中舵機(jī)穩(wěn)定。為保證機(jī)器人運(yùn)行過程中機(jī)器人單元內(nèi)部無干涉，同時(shí)兼顧機(jī)器人單元不至于過長(zhǎng)，將舵機(jī)輸出軸距離定為31.8 mm。

（2）連接支架設(shè)計(jì)

該零件為裝配母件，用于能量源和驅(qū)動(dòng)電路的擺放、機(jī)器人整體的支撐，同時(shí)舵機(jī)、連接板等零部件也安裝于該零件上。根據(jù)控制板和電源形狀及尺寸，為保證電源與控制板的安裝及機(jī)器人單元尺寸的控制，結(jié)合舵機(jī)尺寸、控制電路及電源形狀大小，設(shè)計(jì)連接支架形狀及尺寸如圖8所示。

圖7舵機(jī)布局?jǐn)[放示意Fig.7 The layout display of servo schematic

圖8 連接支架示意圖Fig.8 Bracket connection schematic

（3）齒輪設(shè)計(jì)

由于舵機(jī)輸出軸在舵機(jī)中心位置，需要將其動(dòng)力傳遞到下一單元關(guān)節(jié)。在各種傳動(dòng)方式中，齒輪對(duì)動(dòng)力的傳動(dòng)能夠節(jié)省空間，并且傳動(dòng)效率高（達(dá)到98%），故在設(shè)計(jì)中選用齒輪來對(duì)動(dòng)力進(jìn)行傳遞。

根據(jù)舵機(jī)尺寸，結(jié)合相關(guān)受力及空間條件，考慮齒輪制作等方面因素，選擇齒輪參數(shù)為：齒數(shù)z =25、模數(shù)m=1、壓力角α=20°、齒頂高系數(shù)為1、頂隙系數(shù)為0.25，兩齒輪的中心距確定為25 mm，保證了齒輪加工的便利性和傳遞可行性。

與舵機(jī)連接的齒輪中心為與舵機(jī)輸出軸配對(duì)的花鍵孔，與傳動(dòng)軸配對(duì)的齒輪中心為螺紋孔。齒輪與舵機(jī)輸出軸、傳動(dòng)軸的連接還需要通過緊固螺釘膠進(jìn)行緊固連接，以保證機(jī)器人運(yùn)行的穩(wěn)定性。齒輪等相關(guān)零部件的安裝連接如圖9所示。

（4）連接板設(shè)計(jì)

根據(jù)功能需求，要將各個(gè)單元連接起來，同時(shí)需對(duì)舵機(jī)、傳動(dòng)軸等進(jìn)行定位，再結(jié)合連接支架、齒輪、舵機(jī)及控制板等形狀尺寸，設(shè)計(jì)出如圖10中a所示的連接板。連接板對(duì)舵機(jī)、傳動(dòng)軸進(jìn)行支撐與固定，同時(shí)將兩不同單元連接起來。連接板安裝在連接支架上，先用兩顆螺釘進(jìn)行預(yù)定位，然后通過點(diǎn)焊形式固定，如圖10中b所示。

圖9 齒輪布置圖Fig.9 The layoat of gear

圖10 機(jī)連接板示意圖Fig.10 The schematic of Machine webs

（5）擋塊設(shè)計(jì)

為使舵機(jī)完全固定，保證機(jī)器人有效運(yùn)行，根據(jù)舵機(jī)布局形式及安裝位置及尺寸，設(shè)計(jì)檔塊對(duì)舵機(jī)進(jìn)行固定，如圖11中a所示。將連接支架、連接板、電源、控制板與舵機(jī)及舵機(jī)齒輪初步裝配后，用螺釘將擋塊緊固于連接板上對(duì)舵機(jī)定位（如圖11中b所示），保證機(jī)器人的有效運(yùn)行。

（6）十字軸設(shè)計(jì)

為盡可能地模擬生物蛇萬向節(jié)結(jié)構(gòu)形式，減小機(jī)器人單元長(zhǎng)度，增大單元間轉(zhuǎn)角。將常用萬向節(jié)用十字軸分體設(shè)計(jì)，將兩單軸空間正交連接而成，由于十字軸是主要受力零件，所以設(shè)計(jì)一輔助零件來對(duì)連接部分加強(qiáng)。

分體式十字軸形式如圖12所示，由①緊固螺釘銷4件、②傳動(dòng)軸2件、③中轉(zhuǎn)十字連接件1件、④連接螺釘1件等零件組成。零件②一端加工有螺紋，用于與傳動(dòng)齒輪的連接，另一端為光軸，軸兩端均加工有螺紋孔，中間為方形，中心加工為螺紋孔；零件③兩側(cè)槽正交加工，兩正交槽中心一孔；零件④將零件②、③進(jìn)行連接，形成設(shè)計(jì)所需十字軸；將齒輪與十字軸組裝，在兩單元連接時(shí)將部件置于其間，然后通過零件①用于將機(jī)連接板與十字軸軸端螺紋孔連接，從而達(dá)到機(jī)器人萬向節(jié)效果，完成單元間連接裝配。

圖11 擋塊示意圖Fig.11 The schematic stopper

圖12 十字軸示意圖Fig.12 The Schematic of cross

（7）頭尾部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為避免機(jī)器人在細(xì)小的死胡同無法工作，讓機(jī)器人能夠時(shí)刻調(diào)頭轉(zhuǎn)向，將機(jī)器人頭尾部設(shè)計(jì)統(tǒng)一，使機(jī)器人運(yùn)行過程中頭尾可以交互使用。在頭尾部裝上視頻探測(cè)器及傳輸設(shè)備，使機(jī)器人將前方探測(cè)結(jié)果傳回后方主機(jī)，機(jī)器人頭尾部結(jié)構(gòu)如圖13所示。

（8）關(guān)鍵零件的驗(yàn)算

設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)十字軸、齒輪等受力傳動(dòng)零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)算，為便于計(jì)算，可取極端情況進(jìn)行驗(yàn)算。根據(jù)相應(yīng)驗(yàn)算結(jié)果對(duì)其進(jìn)行再度優(yōu)化設(shè)計(jì)，直到蛇形機(jī)器人更輕、更小、更簡(jiǎn)單、功能更多元化。

圖　13 機(jī)器人頭尾關(guān)節(jié)示意圖Fig.13 The schematic of Robot head and tail joints

（9）優(yōu)化及整體布局

設(shè)計(jì)出機(jī)器人單元及連接結(jié)構(gòu)后，為增強(qiáng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)效率，在蛇形機(jī)器人各單元外部加上從動(dòng)輪，用螺釘固定到連接支架上。綜合加工可行性、裝配便利性和功能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性等問題后，將從動(dòng)輪架與機(jī)器人密封骨架設(shè)計(jì)為一體，如圖14中a所示。在組裝時(shí)，只需將裝有從動(dòng)輪的從動(dòng)輪架緊固于機(jī)器人單元上即可，如圖14中b所示。

圖14 從動(dòng)輪示意圖Fig.14 The schematic of drivon wheel

同時(shí)為使機(jī)器人能在更多的環(huán)境中運(yùn)行，在機(jī)器人兩單元的連接關(guān)節(jié)處用可伸縮波紋管進(jìn)行密封，波紋管兩端裝配粘接到從動(dòng)輪架上，使得機(jī)器人不會(huì)因?yàn)樗蚣?xì)微雜質(zhì)導(dǎo)致失效。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后機(jī)器人單元長(zhǎng)度為90 mm，加上從動(dòng)輪后機(jī)器人直徑為80 mm，以后10單元機(jī)器人為準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)出機(jī)器人零件數(shù)量為521件。其模型見圖15。

圖15 機(jī)器人模型示意圖Fig.15 The schematic model of the robot

4 總結(jié)

通過對(duì)蛇形機(jī)器人十字軸進(jìn)行分體設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化了機(jī)器人單元之間連接結(jié)構(gòu)，根據(jù)沖壓件、注塑件零件設(shè)計(jì)原理，對(duì)機(jī)器人各零件進(jìn)行簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，減小了傳動(dòng)部分的誤差，增強(qiáng)了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性、裝配制造便利性，降低了機(jī)器人成本。

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中圖分類號(hào)：TP242

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-6125（2016）02-0032-05

收稿日期：2015-12-06

基金項(xiàng)目：2013年貴州省科學(xué)技術(shù)基金項(xiàng)目：“一種仿生蛇機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與步態(tài)規(guī)劃研究”（黔科合J字LKG［2013］60號(hào)）階段性成果。

作者簡(jiǎn)介：張 琢（1985-），男，貴州思南人，助教、碩士。主要研究方向：微型機(jī)器人，微制造技術(shù)。

Structural research and design of a bionic snake-like robot

ZHANG Zhuo1，XU Zhi-jia1，WANG Jun2
（1.College of Mechanical Engineering，Guiyang University，Guiyang 550005，Guizhou Province，China；
2.Huayang Electrics Company，AVIC Guiyang Guihang Automotive Components Limited Company，Guiyang 550006，Guizhou Province，China）

Abstract：Compared with other unit connection structures，universal joint connection inside single joint provides many advantages：less unit，better structural performance，etc.Viewed by structure of the snake body and working environment of snake-like robot，a bionic snake-like robot structure of universal joints connection inside single joint is designed.The cross-shaft of common universal joint structure is separately designed，which has simplified the robot structure.The robot length，diameter and the number of robot parts is 91 millimeters，80 millimeters and 521 respectively.

Key words：Bionics；Snake-like Robot；Structure Design