多自由度冗余救灾蛇形机器人设计说明书

多自由度冗余救灾蛇形机器人 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 说明书 作品名称：多自由度冗余救灾蛇形机器人 作    者：连智超、郭青、李松、胡文强、李放 指导老师：韩书葵、康会峰 河北省北华航天工业学院 目    录 1 背景及意义    3 2 设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载     3 2.1 机构设计    4 2.2 基本尺寸    5 3 蛇形机器人的运动分析    5 3.1 蛇形机器人蠕动分析    6 3.2 蛇形机器人蜿蜒运动    8 3.3 蛇形机器人侧向运动    9 3.4 蛇形机器人侧向翻滚    9 4 蛇形机器人的控制    10 4.1蛇形机器人控制系统    10 4.2蛇形机器人无线控制方式    11 5 蛇形机器人的导航分析    12 6 工作原理分析    12 7主要创新点    12 8 应用前景分析    13 9 方案一的实验仿真    13 9作品外形照片    16 多自由度冗余蛇形机器人说明书 设计者：连智超，胡文强，李松，郭青，李放 指导老师：韩书葵，康会峰 （北华航天工业学院机械工程系，廊坊065000） 作品内容简介 蛇形机器人是一种高冗余度移动机器人具有多于确定机器人空间位置和姿态所需的自由度使得它可以摹仿生物蛇的无肢运动。蛇形机器人可适应各种复杂地形的行走,其性能优于传统的行走机构,在许多领域具有非常广泛的应用景。如在有辐射、有粉尘、有毒及战场环境执行侦察任务;在地震、塌方及火灾后的废墟中找寻伤员；在狭小和危险条件下探测和疏通管道；为人们在实验室里研究数学、力学、控制理论和人工智能等提供实验平台等等。联系人：韩书葵，联系电话：134********，Email：hanshukuixuning8@163.com。 1 背景及意义 随着科学的日益进步和人们生活水平的不断提高，机器人作为20 世纪人类的伟大发明之一，已经逐步地进入了生产和生活领域：工业生产中的用力进行超精密加工的并联机器人，海洋勘探领域中的水下机器人，太空探索领域中的行星探测器如美国的火星车，流水线上代替人工的工业机器人，类人机器人和仿生机器人。这些机器人的出现并逐步应用，使我们能强烈地感受到机器人应用范围之广，影响程度之深。                机器人的研究领域已经从结构环境下的定点作业中走出来，向着非结构环境下的自主作业方向发展。传统的设计 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 已经不能满足机器人在非结构化的、未知环境下作业的要求，要解决的主要问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 之一就是能实现新的运动方式。传统的轮式移动机器人的运动平滑,效率高,但需要相对光滑的地面,不能够适应恶劣的环境。同样使用履带，可以改进移动机构适应地面的能力，但它却无法充分实现运动的灵活性。步行机器人有着诸如运动的速度慢和稳定性差等弊端，这就促使人们去进一步寻找灵活的运动模式。而自然界的蛇的运动是一种“无肢运动”,它不需要轮子和腿。蛇由于在结构上无肢，可以爬树、游水、钻洞、绕过障碍物、穿越沙漠，在平坦的地面爬行更是能达到行动如飞。蛇的身体，虽然只不过象一条绳子，但具有多种运动变化方式，功能强大：在前行的时候可以当“腿脚”，在攀爬的时候可以当“手臂”，而在攫取东西的时候又可以当“手指”。                                                                                  蛇形机器人模拟自然界蛇的无肢结构，具有多关节、多自由度，多冗余自由度的特点，可以有多种运动模式，良好的地面适应性和运动稳定性，在许多领域具有广泛的应用前景：如在有辐射、有毒等危险环境下的侦察和搜索；在地震、塌方及火灾后的废墟中搜寻灾难幸存者；在狭小和危险条件下探测和疏通管道；在航空航天领域可用其作为行星表面探测器，轨道卫星的柔性手臂。蛇形机器人具有稳定性好、横截面小、柔性等特点，能在各种粗糙、陡峭、崎岖的复杂地形上行走，并可攀爬障碍物，这是以轮子或腿作为行走工具的机器人难以做到的。由于其环境适应能力强，因此，在废墟搜索救援工作中，具有广阔的应用前景。 2 设计方案 多自由度冗余救灾蛇形机器人是将蛇的结构加以简化，提出了连杆铰链机构,分析了自然界蛇的典型运动方式。本设计包括对蛇形机器人的结构设计，对运动形式进行分析，确定蛇形机器人的控制方案以及选择的传感器，使机器人在复杂的地面上工作，实现救灾功能。 2.1 机构设计 从仿生的角度对蛇形机器人的机构进行了设计，并对其运动机理进行了研究，提出一种新型的可重构蛇形机器人机构，如图1所示。智能控制单元是由一个控制板和一个舵机组成，舵机是和舵机架相连接，舵机架和转动框架相互连接。工作时，舵机轴转动，通过连接的圆形舵带动转动框架转动。舵机的输出由活动板传递给下一单元。同时，连接板上的连接孔均匀地分布在同一直径的圆周上，可保证两模块按轴线平行或垂直方式连接，实现了模块间连接的通用性，达到机构可重构的设计目的。 图1 蛇形机器人的连接结构 蛇形机器人的运动单元主要有两种组合形式，方案一是单元间的舵机架与转动框架平行连接，实现两个单元的转动轴为平行关系，如图2所示，单元组可进行二维空间的运动。 图2 蛇形机器人的连接方式一 第二种连接方式方案是单元间的舵机架与转动框架垂直连接，如图3所示，实现两个单元的转动轴为正交关系，即单元组可进行三维空间的运动 如图3 连接方案二 2.2 基本尺寸 蛇形机器人总长度为70 cm，重约2.5kg -5kg，机构的主体 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 是铝合金，在下表面是摩擦系数比较大的附加材料，主要是为了增加机构和地面之间的摩擦力。机构的各部分的参数如下表所示。 舵机 扭力 3.5kg.cm 重量 36g 工作电流《280mA 速度 0.5 sec/60 degree 工作电压 4.8~6.0V 尺寸 40.8*20.1*36.5   电池 1 品牌 GE POWER 重量 71g 标称电压 11.1V 标称容量 860mah 放大倍率 持续20C 尺寸 56*31*22mm   电池 2 品牌 GE POWER 重量 33g 标称电压:7.4V 标称容量:500mAh 放电倍率:持续20C 尺寸 55*31*11mm   舵机架 材料 铝合金 重量 20.83g       尺寸 56*50*66mm   转动框架 材料 铝合金 重量 48.21g       尺寸 64*25*42mm                   蛇形机器人总共有10个关节，其中包括一个头和一个尾。在头部安装了两只眼睛,利用螺钉连接。眼睛不只为装饰,将其做成两个部件的装配结构,眼球内装有传感器,实现智能控制。尾部是整个机器人的供电中心,需要安装一块6V 的电池,为了使其在运动中稳定且不发生松动或滑落现象,采用双侧卡槽的安装方式,底部加上限位螺钉。 3 蛇形机器人的运动分析 理论直线运动速度1m/min。能够爬30度斜坡，并能够越过10cm 左右的台阶，可以实现避障功能。在倒塌的建筑物中，有很多碎石，纺织物，而且有些地方是干的，有些地方由于水管的破裂变得泥泞，因此要求蛇形机器人有多种运动方式，适应不同的环境。本课题研究的蛇形机器人可以实现四种运动： ⑴蜿蜒运动：用于在较平坦的地面上运动。 ⑵伸缩运动：用于通过狭窄的通道 ⑶侧向移动：用于在碎石中运动 ⑷翻滚运动：用于自身姿态调整及越障 3.1 蛇形机器人蠕动分析 蛇形机器人的蠕动过程首先将机器蛇简化为N节长度为l的平面连杆系统初始状态时蛇形机器人为一条直线如图4所示。 图4  蠕动过程的运动波形 运动开始时 P0 P1 和P1P2 运动。点P0沿着x轴前进，其他点 P i ≥?2 固定不动。与此同时杆件P0 P1与x轴之间的夹角a从0??到达给定的角度0 a 当该阶段结束时杆P0 P1与x轴之间的夹角为a0。图3中阶段c 此时除了P1点外其他点均位于x 轴上下一阶段P0 P1 P 1 P2 和P2 P3 为动杆点P0 和Pi ，其中i ≥?3 均保持不动夹角a 从a0 变为0??与此同时P2P3与x 轴的夹角b 从0??变为a0 见图3-1 中d 当这一阶段结束时系统处于状态P1P2 和P2 P 3与x 轴之间成等腰三角形除了点P2 外其他点均位于x 轴上重复这个过程直到蛇形机器人到达状态f 最后恢复到直线状态g在一个运动周期内整个系统沿x 轴的位移StepL相当于点P0 从状态a 到状态b 的位移设每一节长为l 有 从图4可知在波形传递阶段动点为P i 和Pi +?1 (1≤?i ≤?N -1) 其他点静止不动比如运动波形从状态c 到状态e 只有点P1 和P2 在动因此可以将P i-1P i ，PiP i+1 ，P i+1P i+2和P i-1P i+2 简化成如图5所示的四连杆机构。 图5 蛇形机器人运动模型 在波形转换过程中 ，P1 -?i 和P2 +?i 之间的距离d 不变即d0 =?l +?2l cosa，图中qi表示组成运动波形的连杆与水平地面的夹角，fi 表示相邻连杆间的夹角，顺时针为负逆时针为正。根据图5 所示在连杆 ， 存在如下矢量关系 即 将其在x，y轴上分解得 消去 得到： 式中 根据上面的公式可以解得： 这里 N代表符号系数，通过上面的公式可以得到转角 3.2 蛇形机器人蜿蜒运动 蛇形机器人蜿蜒运动曲线的方程为 其中 ；s表示从起始点到当前点的弧长；a表示曲线的摆动幅度；b表示单元长度内包括的波形周期数；c波形的偏移角 下面我们将给出由n 杆组成的近似的蜿蜒运动曲线并用x(s) 和y(s) 表示假设每个连杆的长度为1/ n 那么曲线上的第n +1 点可近似表示为 ， 于是x (si)和y (si) 可近似表示为 用 表示第i杆沿逆时针方向与x -?axis 轴间的绝对角度为 于是 表示为 上式是由n 杆组成的近似蜿蜒运动的角度函数假如蛇形机器人的角度变化函数为 那么此时蛇形机器人相邻连杆之间的相对角度变化函数为 由蜿蜒运动曲线的定义及对n 杆组成的近似蜿蜒运动的分析我们完全可以将蜿蜒运动的蛇形机器人相邻连杆之间的角度函数定义为 式中 为运动波形的最大摆动幅度； 为蛇形机器人相邻两关节的相位差； 为运动运动波形的角度偏移值； 表示波形传播速度。那么此时在参考坐标系(x' o' y') 中蛇形机器人的角度变化函数可表示为 式中 3.3 蛇形机器人侧向运动 蛇形机器人在侧向蜿蜒运动过程中，部分机体与地面接触、作为静态接触点，部分机体抬起实现空间侧移，如此反复，实现侧向前进。由于运动过程中，机体是由上向下与地面接触的，所受的摩擦阻力较小，而几机体与地面有多个接触点，因此适合沙漠、软土等低剪切运动环境。在松软和温度较高的沙漠环境中，如果蛇形机器人采用平面蜿蜒运动进行连续作业，将消耗大量的摩擦功，导致蛇体的摩擦变形、受热损坏。而如果采用侧向蜿蜒运动，由于其滑动摩擦阻力小，且部分机体与地面接触，可以克服平面蜿蜒运动所带来的缺点，提高运动的效率。