蛇形機(jī)器人的設(shè)計(jì)與仿真
蛇形機(jī)器人的設(shè)計(jì)與仿真,蛇形,機(jī)器人,設(shè)計(jì),仿真
本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))開(kāi)題報(bào)告
論 文 題 目： 基于 arduino 的蛇形機(jī)器人的設(shè)計(jì)學(xué) 院：專(zhuān) 業(yè) 、班 級(jí)：學(xué) 生 姓 名：導(dǎo)教師（職稱(chēng)）：
一、選題依據(jù)
1. 論文（設(shè)計(jì)）題目
基于 arduino 的蛇形機(jī)器人的設(shè)計(jì)
2. 研究領(lǐng)域
仿生機(jī)器人
3. 論文（設(shè)計(jì)）工作的理論意義和應(yīng)用價(jià)值
蛇形機(jī)器人可適應(yīng)各種復(fù)雜地形的行走，如在戰(zhàn)場(chǎng)掃雷、偵測(cè)、爆破、礦井和廢墟中探測(cè)營(yíng)救、管道維修以及外行星地表探測(cè)等，其性能優(yōu)于傳統(tǒng)的行走機(jī)構(gòu)，在許多領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用前景：
1. 在有輻射，粉塵，毒及戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)[8]
2. 在狹小獨(dú)立條件下探測(cè)和疏通管道
3. 在地震，塌方及火災(zāi)的廢墟中尋找傷員[9][10]
4. 外行星地表勘探[6]
4. 目前研究的概況和發(fā)展趨勢(shì)
目前蛇形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和動(dòng)力學(xué)模型是該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。依據(jù)蜿蜒運(yùn)動(dòng)， 伸縮運(yùn)動(dòng)，側(cè)向運(yùn)動(dòng)三種蛇主要行進(jìn)方式分類(lèi)，科學(xué)家們多集中于蜿蜒運(yùn)動(dòng)的研究， 蜿蜒運(yùn)動(dòng)在水域[1][2]和復(fù)雜地形[3][4]都可實(shí)現(xiàn)。在水域內(nèi)，可通過(guò)小角度和大角度轉(zhuǎn)彎使蛇在水中運(yùn)動(dòng)自如；對(duì)于在陸地，具體有：以盧亞平[6]為代表的利用正弦角度控制的幅值參數(shù)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)蛇形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向改變；以唐超全[5]等利用幅值調(diào)整法實(shí)現(xiàn)基于 CPG 的蛇形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向改變；以張丹鳳[5]為代表的基于能量平衡的被動(dòng)蜿蜒運(yùn)動(dòng)設(shè)置專(zhuān)有方向參數(shù)使蛇形機(jī)器人向不同方向轉(zhuǎn)不同的彎。而依據(jù)蛇形機(jī)器人的研究的方向分類(lèi)，主要在以下幾個(gè)方面：
（1） 蛇形機(jī)器人系統(tǒng)中模塊的功能，設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方法。包括機(jī)器人的功能分析和功能的分配，模塊的軟、硬件功能分析，模塊描述方法的研究，軟、硬件模塊的設(shè)計(jì)，軟、硬件模塊自動(dòng)或快速連接方法的研究；
（2） 蛇形機(jī)器人的構(gòu)形設(shè)計(jì)。包括機(jī)器人所需完成任務(wù)描述方法的研究，機(jī)器人構(gòu)形表達(dá)方法的研究，機(jī)器人最優(yōu)構(gòu)形天生方法的研究；
（3） 蛇形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)研究更傾向考慮軟件的可重構(gòu)性．包括模塊運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的分析方法，分布式模塊機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析方法的研究；
（4） 研究適用于可重構(gòu)蛇形機(jī)器人系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制軟件。包括機(jī)器人控制模塊的功能分析和劃分方法的研究，軟件重構(gòu)方法的研究。
陸地和水下蛇形機(jī)器人是目前仿生機(jī)器人研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域，美國(guó)和日本走在前 沿，此外加拿大、英國(guó)、瑞典、澳大利亞等國(guó)也都在開(kāi)展這方面的技術(shù)研究。隨著蛇形機(jī)器人的研究的深入，在建筑、采礦、災(zāi)難救援等非制造業(yè)行業(yè)、國(guó)防軍事領(lǐng)域、醫(yī)療領(lǐng)域、甚至日常生活領(lǐng)域等對(duì)蛇形機(jī)器人的需求將越來(lái)越大。因此，適合應(yīng)用的更為智能和專(zhuān)業(yè)的蛇形機(jī)器人技術(shù)必將成為未來(lái)的研究熱點(diǎn)。對(duì)蛇形機(jī)器人的研究趨勢(shì)如下：
（1） 嘗試性地將適應(yīng)領(lǐng)域從陸地向水陸兩棲發(fā)展，使蛇形機(jī)器人不僅具有陸地爬行能力，還有水中游動(dòng)的能力；
（2） 機(jī)構(gòu)本體和多傳感器融合，環(huán)境感知能力加強(qiáng)，集成壓力，視覺(jué)，距離， 角度，速度等傳感器，通過(guò)數(shù)據(jù)融合技術(shù)可調(diào)節(jié)其適應(yīng)環(huán)境的控制參數(shù)；
（3） 蛇形機(jī)器人在結(jié)構(gòu)上開(kāi)始向具有變形，分體等新功能發(fā)展，結(jié)合多傳感器融合技術(shù)，使其時(shí)刻敏感外部環(huán)境，可進(jìn)行分體協(xié)同運(yùn)動(dòng)，或完成必要的變形運(yùn)動(dòng)；
（4） 有部分學(xué)者開(kāi)始研究蛇形機(jī)器人的三維運(yùn)動(dòng)；
二、論文（設(shè)計(jì)）研究的內(nèi)容
1、重點(diǎn)解決的問(wèn)題
對(duì)蛇的身體結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)形態(tài)進(jìn)行了分析，掌握蛇的運(yùn)動(dòng)模型，分析蛇在蜿蜒運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的受力情況。通過(guò)對(duì)蛇行運(yùn)動(dòng)的研究，結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等，設(shè)計(jì)一條多關(guān)節(jié)的仿生機(jī)器蛇，實(shí)現(xiàn)蜿蜒前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎等動(dòng)作。
2、擬開(kāi)展研究的幾個(gè)主要方面（論文寫(xiě)作大綱或設(shè)計(jì)思路）
（1） 運(yùn)動(dòng)原理與設(shè)計(jì)
1. 設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單剛體鉸鏈模型
2. 運(yùn)動(dòng)原理設(shè)計(jì)
①整體布局：簡(jiǎn)單模型——性能要求——理論分析方面
②蜿蜒運(yùn)動(dòng)——用于較平坦的地面運(yùn)動(dòng)
③伸縮運(yùn)動(dòng)——狹窄通道的穿行
④側(cè)向運(yùn)動(dòng)——在碎石中運(yùn)動(dòng)
⑤翻滾運(yùn)動(dòng)——自身姿態(tài)調(diào)整及蔽障
⑥總述：計(jì)算是否合格，結(jié)構(gòu)參數(shù)得出初步，對(duì)控制系統(tǒng)期望方面
3. Matlab 建模，完成關(guān)節(jié)——角度——關(guān)節(jié)數(shù)之間的關(guān)系曲線(xiàn)分析，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備
4. 初步設(shè)計(jì)參數(shù)列表
（2） 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1. 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 依 I-2 結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行校核
2. Solidworks 建模
3. Anysys 建模 完成連接處部件強(qiáng)度校核
4. 構(gòu)件選型 舵機(jī) 藍(lán)牙模塊 紅外線(xiàn)模塊 攝像頭模塊
5. 參數(shù)與性能列表
（3） 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1. 總體控制思路及相應(yīng)理論支持
①四種模式的聯(lián)系及控制方法
②部件功能調(diào)用的實(shí)現(xiàn)
③反饋回路等
2. 組裝藍(lán)牙模塊 紅外線(xiàn)模塊 攝像頭模塊
3. 編寫(xiě) arduino 控制程序
4. 編寫(xiě)藍(lán)牙控制程序
5. 調(diào)試
3. 本論文（設(shè)計(jì)）預(yù)期取得的成果
（1） 簡(jiǎn)單模型
（2） Solidworks 結(jié)構(gòu)圖
（3） ANYSYS 應(yīng)力分析
（4） 軟件流程
三、論文（設(shè)計(jì)）工作安排
1、論文采用的主要研究方法：
采用 solidworks 建模構(gòu)造實(shí)體
采用 MATLAB 建模完成關(guān)節(jié)——角度——關(guān)節(jié)數(shù)之間的關(guān)系采用 ANYSYS 建模完成各種動(dòng)作下鏈接處的應(yīng)力分析
搭建 arduino 平臺(tái)和擴(kuò)展模塊
采用 arduino IDE 完成 arduino 的編程2、論文（設(shè)計(jì)）進(jìn)度計(jì)劃：
第 1 周：收集研究方向相關(guān)資料、研究資料。
第 2 周：閱讀參考文獻(xiàn)，確定研究?jī)?nèi)容。
第 3 周：撰寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告，擬訂總體設(shè)計(jì)方案。
第 4 周：完善、修改開(kāi)題報(bào)告，完成外文翻譯。
第 5 周：進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)總體規(guī)劃，設(shè)計(jì)總體實(shí)施方案。
第 6 周：主要器件選型，繪制結(jié)構(gòu)圖。
第 7 周：繪制系統(tǒng)原理圖，控制電路功能設(shè)計(jì)。
第 8 周：各模塊連接實(shí)現(xiàn)，構(gòu)型完成。
第 9 周：設(shè)計(jì)程序流程框圖和主要算法。
第 10 周：完成程序編制、進(jìn)行調(diào)試。
第 11 周：利用小型舵機(jī)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，
第 12 周：分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。
第 13 周：完善設(shè)計(jì)內(nèi)容及設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，準(zhǔn)備畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯。
第 14 周：按指導(dǎo)教師及評(píng)閱教師的意見(jiàn)修改設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯。
四、需要閱讀的參考文獻(xiàn)
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附：文獻(xiàn)綜述或報(bào)告
文獻(xiàn)綜述
基于 arduino 的蛇形機(jī)器人，通過(guò) arduino 平臺(tái)完成對(duì)舵機(jī)的控制，結(jié)合紅外測(cè)距等傳感器回傳數(shù)據(jù)的對(duì)比分析以實(shí)現(xiàn)不同運(yùn)動(dòng)方式的變換，具有較強(qiáng)的復(fù)雜地形適應(yīng)能力，在災(zāi)難救援等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。
蛇基本運(yùn)動(dòng)步態(tài)劃分 結(jié)合以上文獻(xiàn)[3][7][19]分析，我們把自然界蛇的基本運(yùn)動(dòng)步態(tài)劃分為蜿蜒運(yùn)動(dòng)、直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)、鼓風(fēng)琴運(yùn)動(dòng)和側(cè)移運(yùn)動(dòng)。蜿蜒運(yùn)動(dòng)是以側(cè)向波傳播為特征的運(yùn)動(dòng)步態(tài),隨著側(cè)向波的傳遞, 身體向前移動(dòng),適合地形平坦的環(huán)境。伸縮運(yùn)動(dòng)是蛇通過(guò)肋骨、肌肉的交替運(yùn)動(dòng),使身體向前爬行,此種方式與毛蟲(chóng)所采用爬行相似,其運(yùn)動(dòng)效率很低,常與其他步態(tài)聯(lián)合使用,適用于狹窄域。鼓風(fēng)琴運(yùn)動(dòng),表面看來(lái)與蜿蜒運(yùn)動(dòng)相似,但其通過(guò)自身向前牽引,使身體向前爬行,通常生物蛇在樹(shù)上爬行時(shí)采用此種步態(tài)。側(cè)移運(yùn)動(dòng)具有螺線(xiàn)形特征,可使身體橫向或斜向運(yùn)動(dòng),此步態(tài)使生物蛇具有更強(qiáng)的適應(yīng)性。
蛇形機(jī)器人的理論研究 通過(guò)大量文獻(xiàn)對(duì)比，蛇形機(jī)器人的理論研究主要包括形態(tài)研究[6][7]、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型[4][5]、步態(tài)控制及穩(wěn)定性分析[11]三大塊內(nèi)容。
形態(tài)研究 通常將擬定的形態(tài)曲線(xiàn)作為理想的運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn),控制蛇形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)向理想形態(tài)曲線(xiàn)逼近,在研究蛇形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)步態(tài)時(shí),采用不同的形態(tài)曲線(xiàn)具有不盡相同的爬行效果。蜿蜒運(yùn)動(dòng)是研究最多的一種二維步態(tài),具有的側(cè)向波傳遞過(guò)程,與正弦曲線(xiàn)變化相似,相位和波動(dòng)幅值隨著時(shí)間發(fā)生變換。
運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和動(dòng)力學(xué)模型 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和動(dòng)力學(xué)模型是蛇形機(jī)器人的控制基礎(chǔ)。根據(jù)蛇形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)步態(tài)特點(diǎn),可以將運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和動(dòng)力學(xué)模型分為二維步態(tài)和三維步態(tài)兩種。二維步態(tài)主要指的是蜿蜒、內(nèi)攀爬和蠕動(dòng)(也稱(chēng)行波步態(tài))。蜿蜒步態(tài)與生物蛇的蜿蜒運(yùn)動(dòng)相同,蠕動(dòng)步態(tài)猶如尺蠖蠕動(dòng),但效率低；三維步態(tài)包括側(cè)移步態(tài)和攀爬步態(tài),兩種步態(tài)與生物蛇的運(yùn)動(dòng)相同,并且均具有螺旋曲線(xiàn)的特點(diǎn)。
步態(tài)控制及穩(wěn)定性分析 對(duì)蛇形機(jī)器人的步態(tài)控制分為二維步態(tài)控制和三維步態(tài)控制。通常情況下,采用開(kāi)環(huán)控制即可實(shí)現(xiàn)蛇形機(jī)器人的步態(tài)運(yùn)動(dòng),而為控制蛇形機(jī)器人更智能地、高效率地運(yùn)動(dòng),需要研究閉環(huán)的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)步態(tài)控制。關(guān)于蛇形機(jī)器人控制的方法都是基于動(dòng)力學(xué)模型,建立每個(gè)關(guān)節(jié)角數(shù)學(xué)關(guān)系式,從而設(shè)計(jì)步態(tài)控制器。
蛇形機(jī)器人的實(shí)際成果 第一代蛇形機(jī)器人結(jié)合機(jī)器人動(dòng)力學(xué)和摩擦學(xué)等的相關(guān)理論，建立的蛇的行波運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，利用垂直和水平方向正交的關(guān)節(jié)來(lái)擬和蛇類(lèi)生物柔軟的身體，每?jī)蓚€(gè)正交的關(guān)節(jié)組成一個(gè)單元體，每個(gè)單元體相當(dāng)于一個(gè)萬(wàn)向節(jié)，具
有兩個(gè)方向的自由度，整體形成一個(gè)高冗余度的結(jié)構(gòu)體。使蛇體具有向任何方向彎曲的能力。研制的機(jī)器蛇樣機(jī)就實(shí)現(xiàn)了蛇的蠕動(dòng)、游動(dòng)、側(cè)移、側(cè)滾、抬頭、翻越障礙物等運(yùn)動(dòng)形式。
第二代蛇形機(jī)器人蛇形機(jī)器人充分考慮了蛇類(lèi)生物的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，結(jié)合機(jī)器人動(dòng)力學(xué)和摩擦學(xué)等的相關(guān)理論，建立了基于行為控制理論的蛇類(lèi)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，把蛇類(lèi)生物的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)形式化解為局部的、簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)形式，采用模塊化設(shè)計(jì)思路，每個(gè)關(guān)節(jié)均可很容易進(jìn)行拆卸。機(jī)器蛇的 8 個(gè)關(guān)節(jié)整體形成一個(gè)高冗余度的結(jié)構(gòu)體，很容易模仿實(shí)現(xiàn)蛇體的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)形式。同時(shí)，設(shè)有的多項(xiàng)預(yù)留位置，象配備局部控制器、位置及力矩侍服器、從動(dòng)輪鎖死裝置等能夠幫助實(shí)現(xiàn)機(jī)器蛇環(huán)境識(shí)別和自主運(yùn)動(dòng)。為了減少機(jī)器蛇的運(yùn)動(dòng)中的摩擦阻力，在機(jī)器蛇兩側(cè)安裝有從動(dòng)輪，實(shí)現(xiàn)了蛇體的平穩(wěn)游動(dòng)， 增強(qiáng)了蛇形機(jī)器人的靈活性和機(jī)動(dòng)性。第二代蛇形機(jī)器人在電路設(shè)計(jì)上采用 485 總線(xiàn)
（采用一條總線(xiàn)將各個(gè)節(jié)點(diǎn)串接起來(lái)，不支持環(huán)形或星型網(wǎng)絡(luò)）聯(lián)接。上位機(jī)為 PC 機(jī)控制，通過(guò)對(duì)總線(xiàn)的定時(shí)輪詢(xún)來(lái)實(shí)現(xiàn)隨時(shí)插拔關(guān)節(jié)。此設(shè)計(jì)能方便地實(shí)現(xiàn)替換任意關(guān)節(jié)，能根據(jù)不同任務(wù)隨時(shí)拆卸安裝新的關(guān)節(jié)，增強(qiáng)了蛇形機(jī)器人的可靠性和耐用性。
日本最早研究蛇形機(jī)器人，東京工業(yè)大學(xué)的 Hirose 教授[3]于研制了第一臺(tái)蛇形機(jī)器人（ActiveCordMechanism-ACMIII）。該機(jī)器人的總長(zhǎng)為 2m，具有 20 個(gè)關(guān)節(jié)，依靠伺服機(jī)構(gòu)來(lái)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)左右擺動(dòng)。為與地面有效地接觸，該機(jī)器人的腹部安裝了腳輪。之后，Hirose 教授的研究室又研制了一系列的蛇形機(jī)器人。有的采用完全無(wú)線(xiàn)控制的方式，每個(gè)關(guān)節(jié)自帶電源，并且能夠在三維環(huán)境中運(yùn)動(dòng)和完成復(fù)雜的三動(dòng)作，可以應(yīng)用在危險(xiǎn)情況下的勘查和營(yíng)救工作。
美國(guó) NASA 的 JPL 采用了 NEC 的蛇形機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一 Serpentine robot[3]， 該機(jī)器人約 1m 長(zhǎng)，直徑 4cm，重量為 3.18kg，具有 12 個(gè)自由度，主要是完成在存在障礙物的環(huán)境中的操作任務(wù)。美國(guó)還有特斯拉的電動(dòng)車(chē)自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)充電蛇形機(jī)器人。德國(guó)的 GMD 研制了蛇形機(jī)器人。該機(jī)器人采用繩索驅(qū)動(dòng)，具有較好的柔性。此外，在蛇形機(jī)器人上安裝了紅外線(xiàn)傳感器來(lái)檢測(cè)環(huán)境信息。挪威科技工業(yè)研究院設(shè)計(jì)了一種用于火星表面探測(cè)的蛇形機(jī)器人，能夠像蛇一樣穿越幾乎所有障礙。
蛇形機(jī)器人的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā) 主要是基于單片機(jī)和 arduino[6]][12][18]環(huán)境下進(jìn)行，采用matlab 或Serpenoid[6]建立關(guān)系曲線(xiàn)，用UG[6]或Pro/E 構(gòu)制三維，利用Anysys[7][14] 有限元軟件進(jìn)行材料力學(xué)分析，采用的編程語(yǔ)言多為 C，C#，匯編等語(yǔ)言。
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