蛇形機器人的設(shè)計與仿真

蛇形機器人的設(shè)計與仿真,蛇形,機器人,設(shè)計,仿真 本科畢業(yè)論文(設(shè)計)開題報告 論 文 題 目： 基于 arduino 的蛇形機器人的設(shè)計學(xué) 院：專 業(yè) 、班 級：學(xué) 生 姓 名：導(dǎo)教師（職稱）： 一、選題依據(jù) 1. 論文（設(shè)計）題目 基于 arduino 的蛇形機器人的設(shè)計 2. 研究領(lǐng)域 仿生機器人 3. 論文（設(shè)計）工作的理論意義和應(yīng)用價值 蛇形機器人可適應(yīng)各種復(fù)雜地形的行走，如在戰(zhàn)場掃雷、偵測、爆破、礦井和廢墟中探測營救、管道維修以及外行星地表探測等，其性能優(yōu)于傳統(tǒng)的行走機構(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)場環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)[8] 2. 在狹小獨立條件下探測和疏通管道 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 目前蛇形機器人運動學(xué)模型和動力學(xué)模型是該領(lǐng)域的研究重點。依據(jù)蜿蜒運動， 伸縮運動，側(cè)向運動三種蛇主要行進方式分類，科學(xué)家們多集中于蜿蜒運動的研究， 蜿蜒運動在水域[1][2]和復(fù)雜地形[3][4]都可實現(xiàn)。在水域內(nèi)，可通過小角度和大角度轉(zhuǎn)彎使蛇在水中運動自如；對于在陸地，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)實現(xiàn)蛇形機器人的運動方向改變；以唐超全[5]等利用幅值調(diào)整法實現(xiàn)基于 CPG 的蛇形機器人運動方向改變；以張丹鳳[5]為代表的基于能量平衡的被動蜿蜒運動設(shè)置專有方向參數(shù)使蛇形機器人向不同方向轉(zhuǎn)不同的彎。而依據(jù)蛇形機器人的研究的方向分類，主要在以下幾個方面： （1） 蛇形機器人系統(tǒng)中模塊的功能，設(shè)計及實現(xiàn)方法。包括機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，軟、硬件模塊自動或快速連接方法的研究； （2） 蛇形機器人的構(gòu)形設(shè)計。包括機器人所需完成任務(wù)描述方法的研究，機器人構(gòu)形表達方法的研究，機器人最優(yōu)構(gòu)形天生方法的研究； （3） 蛇形機器人的運動學(xué)和動力學(xué)研究更傾向考慮軟件的可重構(gòu)性．包括模塊運動學(xué)和動力學(xué)的分析方法，分布式模塊機器人運動學(xué)和動力學(xué)分析方法的研究； （4） 研究適用于可重構(gòu)蛇形機器人系統(tǒng)的實時控制軟件。包括機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。 陸地和水下蛇形機器人是目前仿生機器人研究的熱點領(lǐng)域，美國和日本走在前 沿，此外加拿大、英國、瑞典、澳大利亞等國也都在開展這方面的技術(shù)研究。隨著蛇形機器人的研究的深入，在建筑、采礦、災(zāi)難救援等非制造業(yè)行業(yè)、國防軍事領(lǐng)域、醫(yī)療領(lǐng)域、甚至日常生活領(lǐng)域等對蛇形機器人的需求將越來越大。因此，適合應(yīng)用的更為智能和專業(yè)的蛇形機器人技術(shù)必將成為未來的研究熱點。對蛇形機器人的研究趨勢如下： （1） 嘗試性地將適應(yīng)領(lǐng)域從陸地向水陸兩棲發(fā)展，使蛇形機器人不僅具有陸地爬行能力，還有水中游動的能力； （2） 機構(gòu)本體和多傳感器融合，環(huán)境感知能力加強，集成壓力，視覺，距離， 角度，速度等傳感器，通過數(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） 蛇形機器人在結(jié)構(gòu)上開始向具有變形，分體等新功能發(fā)展，結(jié)合多傳感器融合技術(shù)，使其時刻敏感外部環(huán)境，可進行分體協(xié)同運動，或完成必要的變形運動； （4） 有部分學(xué)者開始研究蛇形機器人的三維運動； 二、論文（設(shè)計）研究的內(nèi)容 1、重點解決的問題 對蛇的身體結(jié)構(gòu)和運動形態(tài)進行了分析，掌握蛇的運動模型，分析蛇在蜿蜒運動過程中的受力情況。通過對蛇行運動的研究，結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制系統(tǒng)設(shè)計等，設(shè)計一條多關(guān)節(jié)的仿生機器蛇，實現(xiàn)蜿蜒前進、轉(zhuǎn)彎等動作。 2、擬開展研究的幾個主要方面（論文寫作大綱或設(shè)計思路） （1） 運動原理與設(shè)計 1. 設(shè)計簡單剛體鉸鏈模型 2. 運動原理設(shè)計 ①整體布局：簡單模型——性能要求——理論分析方面 ②蜿蜒運動——用于較平坦的地面運動 ③伸縮運動——狹窄通道的穿行 ④側(cè)向運動——在碎石中運動 ⑤翻滾運動——自身姿態(tài)調(diào)整及蔽障 ⑥總述：計算是否合格，結(jié)構(gòu)參數(shù)得出初步，對控制系統(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)系曲線分析，為結(jié)構(gòu)設(shè)計做準(zhǔn)備 4. 初步設(shè)計參數(shù)列表 （2） 機械系統(tǒng)設(shè)計 1. 結(jié)構(gòu)設(shè)計 依 I-2 結(jié)構(gòu)參數(shù)進行校核 2. Solidworks 建模 3. Anysys 建模 完成連接處部件強度校核 4. 構(gòu)件選型 舵機 藍牙模塊 紅外線模塊 攝像頭模塊 5. 參數(shù)與性能列表 （3） 控制系統(tǒng)設(shè)計 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)用的實現(xiàn) ③反饋回路等 2. 組裝藍牙模塊 紅外線模塊 攝像頭模塊 3. 編寫 arduino 控制程序 4. 編寫藍牙控制程序 5. 調(diào)試 3. 本論文（設(shè)計）預(yù)期取得的成果 （1） 簡單模型 （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）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 建模完成各種動作下鏈接處的應(yīng)力分析 搭建 arduino 平臺和擴展模塊 采用 arduino IDE 完成 arduino 的編程2、論文（設(shè)計）進度計劃： 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，確定研究內(nèi)容。 第 3 周：撰寫開題報告，擬訂總體設(shè)計方案。 第 4 周：完善、修改開題報告，完成外文翻譯。 第 5 周：進行畢業(yè)設(shè)計總體規(guī)劃，設(shè)計總體實施方案。 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。 第 8 周：各模塊連接實現(xiàn)，構(gòu)型完成。 第 9 周：設(shè)計程序流程框圖和主要算法。 第 10 周：完成程序編制、進行調(diào)試。 第 11 周：利用小型舵機進行模擬實驗， 第 12 周：分析實驗結(jié)果，撰寫設(shè)計說明書。 第 13 周：完善設(shè)計內(nèi)容及設(shè)計說明書，準(zhǔn)備畢業(yè)設(shè)計答辯。 第 14 周：按指導(dǎo)教師及評閱教師的意見修改設(shè)計說明書，進行畢業(yè)設(shè)計答辯。 四、需要閱讀的參考文獻 [1] 唐敬閣,李斌,李志強,常健. 水下蛇形機器人的滑翔運動性能研究[J].高技術(shù)通訊 , 2017 , 27 (3) :269-276. 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The Controlling Research of the 3D Bionic Snake-Like Robot Based on the Arduino Applied Mechanics & Materials , 2013 , 302 :570-573 [20] A Maity A Paul,P Goswami,A Bhattacharya Android Application based Bluetooth Controlled Robotic CarAll India Inter Engineering College Academic Me... , 2017 附：文獻綜述或報告 文獻綜述 基于 arduino 的蛇形機器人，通過 arduino 平臺完成對舵機的控制，結(jié)合紅外測距等傳感器回傳數(shù)據(jù)的對比分析以實現(xiàn)不同運動方式的變換，具有較強的復(fù)雜地形適應(yīng)能力，在災(zāi)難救援等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。 蛇基本運動步態(tài)劃分 結(jié)合以上文獻[3][7][19]分析，我們把自然界蛇的基本運動步態(tài)劃分為蜿蜒運動、直線運動、鼓風(fēng)琴運動和側(cè)移運動。蜿蜒運動是以側(cè)向波傳播為特征的運動步態(tài),隨著側(cè)向波的傳遞, 身體向前移動,適合地形平坦的環(huán)境。伸縮運動是蛇通過肋骨、肌肉的交替運動,使身體向前爬行,此種方式與毛蟲所采用爬行相似,其運動效率很低,常與其他步態(tài)聯(lián)合使用,適用于狹窄域。鼓風(fēng)琴運動,表面看來與蜿蜒運動相似,但其通過自身向前牽引,使身體向前爬行,通常生物蛇在樹上爬行時采用此種步態(tài)。側(cè)移運動具有螺線形特征,可使身體橫向或斜向運動,此步態(tài)使生物蛇具有更強的適應(yīng)性。 蛇形機器人的理論研究 通過大量文獻對比，蛇形機器人的理論研究主要包括形態(tài)研究[6][7]、運動學(xué)和動力學(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)曲線作為理想的運動曲線,控制蛇形機器人的運動曲線向理想形態(tài)曲線逼近,在研究蛇形機器人運動步態(tài)時,采用不同的形態(tài)曲線具有不盡相同的爬行效果。蜿蜒運動是研究最多的一種二維步態(tài),具有的側(cè)向波傳遞過程,與正弦曲線變化相似,相位和波動幅值隨著時間發(fā)生變換。 運動學(xué)模型和動力學(xué)模型 運動學(xué)模型和動力學(xué)模型是蛇形機器人的控制基礎(chǔ)。根據(jù)蛇形機器人的運動步態(tài)特點,可以將運動學(xué)模型和動力學(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(也稱行波步態(tài))。蜿蜒步態(tài)與生物蛇的蜿蜒運動相同,蠕動步態(tài)猶如尺蠖蠕動,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)與生物蛇的運動相同,并且均具有螺旋曲線的特點。 步態(tài)控制及穩(wěn)定性分析 對蛇形機器人的步態(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,采用開環(huán)控制即可實現(xiàn)蛇形機器人的步態(tài)運動,而為控制蛇形機器人更智能地、高效率地運動,需要研究閉環(huán)的控制系統(tǒng)實現(xiàn)步態(tài)控制。關(guān)于蛇形機器人控制的方法都是基于動力學(xué)模型,建立每個關(guān)節(jié)角數(shù)學(xué)關(guān)系式,從而設(shè)計步態(tài)控制器。 蛇形機器人的實際成果 第一代蛇形機器人結(jié)合機器人動力學(xué)和摩擦學(xué)等的相關(guān)理論，建立的蛇的行波運動學(xué)模型，利用垂直和水平方向正交的關(guān)節(jié)來擬和蛇類生物柔軟的身體，每兩個正交的關(guān)節(jié)組成一個單元體，每個單元體相當(dāng)于一個萬向節(jié)，具 有兩個方向的自由度，整體形成一個高冗余度的結(jié)構(gòu)體。使蛇體具有向任何方向彎曲的能力。研制的機器蛇樣機就實現(xiàn)了蛇的蠕動、游動、側(cè)移、側(cè)滾、抬頭、翻越障礙物等運動形式。 第二代蛇形機器人蛇形機器人充分考慮了蛇類生物的運動特點，結(jié)合機器人動力學(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運動學(xué)模型，把蛇類生物的復(fù)雜運動形式化解為局部的、簡單的運動形式，采用模塊化設(shè)計思路，每個關(guān)節(jié)均可很容易進行拆卸。機器蛇的 8 個關(guān)節(jié)整體形成一個高冗余度的結(jié)構(gòu)體，很容易模仿實現(xiàn)蛇體的復(fù)雜運動形式。同時，設(shè)有的多項預(yù)留位置，象配備局部控制器、位置及力矩侍服器、從動輪鎖死裝置等能夠幫助實現(xiàn)機器蛇環(huán)境識別和自主運動。為了減少機器蛇的運動中的摩擦阻力，在機器蛇兩側(cè)安裝有從動輪，實現(xiàn)了蛇體的平穩(wěn)游動， 增強了蛇形機器人的靈活性和機動性。第二代蛇形機器人在電路設(shè)計上采用 485 總線 （采用一條總線將各個節(jié)點串接起來，不支持環(huán)形或星型網(wǎng)絡(luò)）聯(lián)接。上位機為 PC 機控制，通過對總線的定時輪詢來實現(xiàn)隨時插拔關(guān)節(jié)。此設(shè)計能方便地實現(xiàn)替換任意關(guān)節(jié)，能根據(jù)不同任務(wù)隨時拆卸安裝新的關(guān)節(jié)，增強了蛇形機器人的可靠性和耐用性。 日本最早研究蛇形機器人，東京工業(yè)大學(xué)的 Hirose 教授[3]于研制了第一臺蛇形機器人（ActiveCordMechanism-ACMIII）。該機器人的總長為 2m，具有 20 個關(guān)節(jié)，依靠伺服機構(gòu)來驅(qū)動關(guān)節(jié)左右擺動。為與地面有效地接觸，該機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器人。有的采用完全無線控制的方式，每個關(guān)節(jié)自帶電源，并且能夠在三維環(huán)境中運動和完成復(fù)雜的三動作，可以應(yīng)用在危險情況下的勘查和營救工作。 美國 NASA 的 JPL 采用了 NEC 的蛇形機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計了一 Serpentine robot[3]， 該機器人約 1m 長，直徑 4cm，重量為 3.18kg，具有 12 個自由度，主要是完成在存在障礙物的環(huán)境中的操作任務(wù)。美國還有特斯拉的電動車自動對準(zhǔn)充電蛇形機器人。德國的 GMD 研制了蛇形機器人。該機器人采用繩索驅(qū)動，具有較好的柔性。此外，在蛇形機器人上安裝了紅外線傳感器來檢測環(huán)境信息。挪威科技工業(yè)研究院設(shè)計了一種用于火星表面探測的蛇形機器人，能夠像蛇一樣穿越幾乎所有障礙。 蛇形機器人的設(shè)計開發(fā) 主要是基于單片機和 arduino[6]][12][18]環(huán)境下進行，采用matlab 或Serpenoid[6]建立關(guān)系曲線，用UG[6]或Pro/E 構(gòu)制三維，利用Anysys[7][14] 有限元軟件進行材料力學(xué)分析，采用的編程語言多為 C，C#，匯編等語言。