一種管道疏通蛇形機器人的關節(jié)研究

1、    一種管道疏通蛇形機器人的關節(jié)研究    劉響響 羅家維 趙婧摘要：各類管道和人們的生活生產(chǎn)密不可分，由于管道常用于輸送腐蝕性液體或各類污水，人們對該類管道的堵塞處理非常困難。尤其是多數(shù)管道比較長、直徑比較小，一旦發(fā)生堵塞，一般的疏通工具難以抵達堵塞部位。根據(jù)管道疏通現(xiàn)狀，研制了一種用于狹窄管道的仿生蛇形機器人，該機器人根據(jù)蛇類形體特征和運動特點設計，能夠更好地適應較細管道的疏通工作。關鍵詞：管道;堵塞;疏通;機器人1    蛇形機器人運動類型與控制方案分析生物蛇的運動分為直線爬行、蜿蜒前進、伸縮運動三種基本類型，結合下水管道的

2、實際應用環(huán)境，蛇形機器人采用直線運動模式最為適合1。所謂“直線運動模式”是指蛇身體骨骼構造特殊，軀干部分骨骼僅存肋骨，肋骨之間通過一定的肌肉相連，通過肌肉的伸縮實現(xiàn)肋骨的前后運動，肋骨與貼地的腹鱗之間存在一定的肌肉關聯(lián)，當肋骨和腹部鱗片之間的肌肉收縮時，肋骨即可向前移動，進而使腹部鱗片豎起，這樣豎起的鱗片對地面有個斜向前的力的作用，此時，蛇身并沒有向前運動，豎起的鱗片和收縮的腹部肌肉處于一種力學平衡中，蛇腹部肌肉放松時，這種平衡被打破，僅存鱗片對地面的作用力，這種力將推動蛇身體向前運動2。所有的肋骨依次做相應動作，即可完成蛇的直線爬行運動。在構造蛇形機器人結構模型時，主要完成肋骨的結構替換設計

3、和骨環(huán)之間的肌肉替換仿真控制。2    蛇形機器人的關節(jié)組成結構蛇形機器人軀干采用分段模塊設計，仿照蛇類骨環(huán)設置相應的關節(jié)環(huán)，這種關節(jié)環(huán)設計結構如圖1所示。該關節(jié)環(huán)采用氣囊的結構模式，單個關節(jié)環(huán)設置四個條帶狀扇面氣囊室（a、b、c、d），條帶狀氣囊首尾兩端固定在前后氣囊固定架之上，并且氣囊之間采用分割架進行限位隔離。條帶狀氣囊由彈性外壁包裹，在關節(jié)環(huán)外部設置彈性外壁。每段關節(jié)末端設置一個環(huán)狀氣囊室，環(huán)狀氣囊室采用內(nèi)外環(huán)固定支撐架固定，內(nèi)環(huán)支撐架直徑小于外環(huán)支撐架。環(huán)狀氣囊室外壁由彈性材料構成，在彈性材料上安裝防后移裝置，如圖2所示。防后移裝置主要由限位鱗片、刀形連桿、彈簧室

4、、環(huán)形氣囊室組成，當該關節(jié)的環(huán)形氣囊室氣體充氣后，環(huán)形氣囊室支撐類似魚鱗片形的防位移限位鱗片，防止蛇形機器人關節(jié)向后移動，當氣囊失氣后，刀片狀連桿在彈簧的拉力作用下使防位移鱗片緊貼蛇形機器人關節(jié)，此時蛇形機器人關節(jié)近似一個圓柱形。因此，后級氣囊環(huán)起到位置固定作用。3    蛇形機器人關節(jié)運動與控制系統(tǒng)研究蛇類在直線運動過程中，通過調(diào)整骨環(huán)之間肌肉束的伸展和伸縮實現(xiàn)前進運動。蛇形機器人關節(jié)在運動過程中各部分的功能主要通過調(diào)整環(huán)狀限位氣囊的通氣縮張和條帶狀扇面氣囊室伸展和收縮實現(xiàn)，采用四個（a、b、c、d）條帶狀氣囊，蛇形機器人關節(jié)橫截面顯示各條帶狀氣囊呈扇面狀。蛇形機器人主要

5、由多級關節(jié)機構串聯(lián)組成，相鄰關節(jié)間通過關節(jié)固定架上的法蘭盤固定在一起，仿照蛇類骨環(huán)肌肉動作完成仿生動作，在前進運動過程中采用多級協(xié)作模式。首先是前級關節(jié)環(huán)狀氣囊室中的氣體轉移到后級關節(jié)環(huán)狀氣囊室中，在該模式下，后級環(huán)狀限位氣囊（所謂“限位氣囊”，主要通過該機構與接觸面的壓力，阻礙蛇形機器人身體在運動過程中向后移位）膨脹，使后級關節(jié)的重力中相當一部分作用在后級關節(jié)的氣囊環(huán)之上，同時，前級關節(jié)環(huán)狀氣囊室因為失去氣體支撐，整個前級關節(jié)貼地重心也隨之下降。其次，前級關節(jié)四個條帶狀扇面氣囊中的氣體通過氣體泵經(jīng)過相應的微型管道轉移至后級關節(jié)相應的氣囊室中;在氣體轉移過程中，后級氣囊產(chǎn)生自然的前后伸展（氣囊

6、側向伸縮受到關節(jié)外罩的束縛作用，限制橫向縮張作用），又因為受到后級環(huán)狀限位氣囊的限制作用，后級條帶狀扇面氣囊做前伸運動，推動前級關節(jié)向前移動。當該動作完成時，后級環(huán)狀氣囊室中的氣體再次轉移到前級環(huán)狀氣囊室，然后后級關節(jié)條帶狀扇面氣囊中的氣體再次轉移到前級關節(jié)條帶狀扇面氣囊中，后級關節(jié)氣囊收縮，拉動后級關節(jié)前移。按照這種模式不斷循環(huán)，蛇形關節(jié)依次向前移動，實現(xiàn)整個機器人的前進運動。蛇形機器人關節(jié)運動控制過程如圖3所示。蛇形機器人前后關節(jié)中的條帶狀扇面氣囊室之間的氣體轉移采用氣體導管經(jīng)過微型氣泵抽送完成。在氣體抽送過程中，通過安裝在各類氣囊上的壓力傳感器對相應的氣囊內(nèi)的氣壓進行判斷，由氣壓變化完成氣囊是否實現(xiàn)氣體抽送任務的判斷。例如，條帶狀扇面氣囊的氣體壓力值傳感器達到壓力值101.325 kpa，即表示該氣囊室處于完全伸展狀態(tài);否則即處于收縮狀態(tài)。按照需要完成對不同氣囊間的氣體抽送，實現(xiàn)蛇形機器人關節(jié)的伸縮控制，最終實現(xiàn)蛇形機器人的運動控制。4    結語經(jīng)過論證，該結構設計可采用較輕質材料完成，降低蛇形機器人自身重量，減輕機器人移動過程中的能量損耗。整個結構體組成較為簡單，關節(jié)模塊化程度較高，易于生產(chǎn)與組裝，因而具備一定的實用性和可靠性。參考文獻1 鄔昭平，劉許童.一種基于真空吸入式氣力