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工程设计学报
工程设计学报  2023, Vol. 30 Issue (4): 438-448    DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.051
机器人与机构设计     
多关节蛇形机器人的结构设计和运动实现
杜雪林(),易文慧,邹家华,周灿,毛立,邓利诗,刘颖
湖南工学院 智能制造与机械工程学院，湖南 衡阳 421002
Structure design and motion realization of multi-joint snakelike robot
Xuelin DU(),Wenhui YI,Jiahua ZOU,Can ZHOU,Li MAO,Lishi DENG,Ying LIU
School of Intelligent Manufacturing and Mechanical Engineering, Hunan Institute of Technology, Hengyang 421002, China
 全文: PDF(5686 KB)   HTML
摘要：

针对蛇形机器人整体研制的关键问题，包括材料选取、结构设计和运动实现等，研制了一种新型的多关节蛇形机器人。该蛇形机器人由11个二自由度正交关节构成，可在保证灵活性的同时实现三维高仿生运动。采用蛇形曲线设计了蛇形机器人的蜿蜒、蠕动和翻滚等基本步态，并进一步提出了改进的越障步态。同时，在V-REP软件中对蛇形机器人的步态进行运动仿真，比较了不同步态的运动轨迹和运动效率。最后，通过蛇形机器人样机步态实验，对步态模型中各个控制参数对蛇形机器人运动波形和运动速度的影响进行了分析，验证了蛇形机器人本体结构与控制系统的可靠性。研究结果对实现蛇形机器人的步态规划与运动控制具有重要的理论意义与实际指导价值。
关键词： 蛇形机器人;  蛇形曲线;  基本步态;  越障步态;  步态实验    
Abstract:

Aiming at the key issues in the overall development of snakelike robots, including material selection, structure design and motion realization, a new multi-joint snakelike robot was developed. This snakelike robot was composed of 11 two-degree-of-freedom orthogonal joints, which could achieve three-dimensional high biomimetic motion while ensuring flexibility. The basic gaits of snakelike robot such as meandering, wriggling and tumbling were designed by using the serpentine curve, and an improved obstacle surmounting gait was further proposed. At the same time, the gaits of the snakelike robot were simulated in the V-REP software, and the motion trajectories and efficiency of different gaits were compared. Finally, through the gait experiment of the snakelike robot prototype, the influence of each control parameter in the gait model on the motion waveform and speed of the snakelike robot was analyzed, and the reliability of the body structure and control system of the snakelike robot was verified. The research results have important theoretical significance and practical guiding value for realizing the gait planning and motion control of snakelike robots.
Key words: snakelike robot    serpentine curve    basic gait    obstacle surmounting gait    gait experiment
收稿日期: 2022-12-29 出版日期: 2023-09-04
CLC:  TH 122  
基金资助: 湖南省自然科学基金面上项目(2021JJ30467)
作者简介: 杜雪林（1984—），男，河北石家庄人，讲师，博士，从事柔性多体动力学、空间网状天线形态分析等研究，E-mail: du_xuelin@126.com，https://orcid.org/0000-0001-7700-9079
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杜雪林
易文慧
邹家华
周灿
毛立
邓利诗
刘颖

引用本文:

杜雪林,易文慧,邹家华,周灿,毛立,邓利诗,刘颖. 多关节蛇形机器人的结构设计和运动实现[J]. 工程设计学报, 2023, 30(4): 438-448.

Xuelin DU,Wenhui YI,Jiahua ZOU,Can ZHOU,Li MAO,Lishi DENG,Ying LIU. Structure design and motion realization of multi-joint snakelike robot[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2023, 30(4): 438-448.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.051    或    https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2023/V30/I4/438

图1  多关节蛇形机器人结构示意
图2  蛇形机器人正交关节结构
图3  蛇形机器人的头部和尾部结构
图4  蛇形机器人关节外壳结构
图5  蛇形机器人头部和尾部外壳结构
图6  采用不同材料制作的蛇形机器人关节
图7  蛇形机器人运动控制流程
图8  Lobot Servo Control软件界面
图9  蛇形机器人遥控器端控制流程
图10  蛇形机器人样机
参数量值
关节数量11个
关节外壳直径95 mm
总长度1 122 mm
总质量2 055 g
表1  蛇形机器人样机的相关技术参数
图11  简化的Serpenoid曲线拟合示意
图12  蜿蜒运动中蛇形机器人偏航关节转角的变化曲线
图13  水平转角不同时蛇形机器人偏航关节转角的变化曲线
图14  蠕动运动中蛇形机器人俯仰关节转角的变化曲线
图15  翻滚运动中蛇形机器人关节转角的变化曲线
图16  越障运动中蛇形机器人俯仰关节转角的变化曲线
图17  不同步态下蛇形机器人质心的运动轨迹
图18  不同振幅下蛇形机器人的蜿蜒运动轨迹
图19  不同周期下蛇形机器人的蜿蜒运动轨迹
图20  蛇形机器人越障过程仿真结果

时间

t/s

关节0关节2关节4关节6关节8关节10
1-30-15153015-15
23015-15-30-1515
表2  蜿蜒运动中蛇形机器人偏航关节转角设置 (°)
图21  蛇形机器人蜿蜒运动实验现场
时间t/s关节1关节3关节5关节7关节9
10-15-30150
201530-150
表3  蠕动运动中蛇形机器人俯仰关节角度设置 ( （°）)
图22  蛇形机器人蠕动运动实验现场
时间t/s关节0关节1关节2关节3关节4关节5
1300-300300
20300-30030
3-300300-300
40-300300-30
5300-300300
时间t/s关节6关节7关节8关节9关节10
1-300300-30
20-300300
3300-30030
40300-300
5-30030030
表4  翻滚运动中蛇形机器人关节转角设置 ( （°）)
图23  蛇形机器人翻滚运动实验现场
越障种类时间t/s关节1关节3关节5关节7关节9
头部越障1-36-2736-36-36
2-36027-22.5-36
3-360000
身体越障122.5-2736-36-36
2-9-2727270
322.50000
尾部越障10368-2727
2-31.5731.522.527
3000027
表5  越障运动中蛇形机器人俯仰关节转角设置 ( （°）)
图24  蛇形机器人越障运动实验现场
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