SolidSnake-II——模块化机器蛇概述一、应用背景：近几年来，仿生机器人学正在机器人领域占有越来越重要的位置，蛇形机器人由于其结构的特殊性,已成为仿生领域的研究热点。

蛇形机器人在战场上的扫雷，爆破，矿井和废墟中探测营救，管道维修以及外行星地表探测等条件恶劣，且要求有高可靠性的领域有着广阔的应用前景。

模块化设计和高冗余度设计等新思路的提出和逐步完善，使蛇形机器人成为研究的亮点。

二、SolidSnake II 实验样机概述：SolidSnake II 结合了国内外蛇形机器人的发展现状，充分考虑了蛇类生物的运动特点，从仿生学的角度，结合机器人动力学和摩擦学等的相关理论，建立了基于行为控制理论的蛇类运动学模型，把蛇类生物的复杂运动形式化解为局部的、简单的行波状态，并以固定的相位差沿蛇体进行传播。

采用中央处理机（即蛇的大脑）集中控制的方式把各种运动方式进行合成，实现了机器蛇的蠕动、游动、侧移、侧滚、抬头、翻越障碍物等运动形式。

在对蛇类运动机理深入研究的基础上，得出了利用杆状结构的角度变化和运动时延，相位差去控制机器蛇运动的速率和运动方向的规律，并在实验中得到了验证。

三、solid snake – II 创新点详述一）、模块化的机构设计：采用模块化的机构设计，可以很快的组装一条新蛇，而且结合电路系统，可以实现任意节数的组合，以适应不同的应用场合。

单元体模块组成部件有：两节壳体，两个伺服电机，一块从机控制板。

机械对接接口非常简单，只需要五个螺钉即可对接一个单元体。

一个模块化单元体为一个正交的关节，有两个正交方向的自由度，在机械结构与控制结构上均自成一体，通过总线与其他从机及主机通讯。

标准配置的SolidSnake-II 带有外接电池。

但用户可以自行加装电池到每个单元关节，以便无缆运行。

二）、基于行为控制设计的solid snake – II 电路系统及程序构架：1），电路系统构架：在电路设计上采用分布式底层运动控制——高层中枢决策”的控制逻辑，通过i2c 总线通讯。

上位机为PC 机控制，通过对总线的定时轮询来实现随时插拔关节。

此设计能方便地实现替换任意关节，能根据不同任务随时拆卸\安装新的关节，甚至实现带电插拔，极大的增强了蛇形机器人的可靠性和耐用性。

PC 机可以控制主机，从而实现对solid snake- II 的高层控制；也可直接控制solid snake- II 实验样机，实时的改变任意单元体的状态，实现底层控制。

每块从机上都有两路AD 采集，可以实时的采集关节的绝对角度值（需要用户自行改装电机），以修正来自主机的角度数据，实现有限度的基于行为的运动控制。

我们决定将来加装合适的传感器，以感知周围环境，实现各大限度的局部自主，从而实现基于行为的运动控制。

2），配套的程序构架：三），运动设计与实现：1. 蛇形机器人运动的动力学基础：蛇类生物的运动方式主要是通过蛇体扭矩的变化以及蛇体与地面的摩擦来共同提供动力。

在运动形式上为行波的传播；表现形式上主要有蠕动和游动两种基本方式以及由这两种方式相结合产生的各种复杂的运动方式。

蠕动主要由垂直方向的扭矩产生角度变化，由于相邻结构体的约束力和地面的摩擦反作用力的共同作用而产生的一种运动形式。

经过力的合成作用产生的水平方向的力可以驱动蛇体向前移动。

通过对蛇行机器人的动力学分析建模，我们建立机器蛇的相邻关节的运动受力关系模型如下：切向力的函数：法向力的函数：法向力：功率函数：其中T（s）为相邻关节的扭矩，s 为沿运动方向前进的长度。

2. 相位差对蛇体运动方式的影响：在实际的运动中，蛇类生物的运动方式有一定的固有模式，可以近似为三角波或正弦波在蛇体中的传播。

从仿生学的角度看，为了使蛇形机器人的运动满足蛇类运动的特点，就必须保证波形的顺利传播。

在对蛇形机器人的动力学分析的基础上，我们采用相互正交的连杆结构来设计蛇体，由于每一节可以有两个自由度，因此，我们可以实现蛇体的空间运动。

同时，相互正交的结构也是模块化设计的要求。

基于从控制机理上尽量模范生物蛇的原则，我们采用基于行为主义控制理论的蛇类运动学模型，其基本原理是：蛇的运动由一系列同时发生的简单动作或“能力”组成，通过自组织实现系统的复杂行为。

观察大量的蛇类生物运动录像可以发现，蛇的几乎任何复杂运动都是一个局部的、简单的状态以固定的相位差沿蛇体传播的过程。

如果把蛇体抽象为一杆数为N 的杆系，蛇类运动可归纳为如下简单运动学模型（设运动从t=0 时刻开始）：K(N,t) = K(N-1,t-Δ(t)) + C1*Σ(C2*t*ω(t-1)) + C3*L(t-1) （1）当前状态上一个相位状态外界信号修正值前次动作修正值其中:1．）(N,t)为t 时刻第N 节的状态;(这里的状态包括相对位置、角度关系)2．）K 为权值，代表当前状态与以前运动结果的关联度，C1*Σ(C2*t*ω(t-1))综合描述了外界信号对蛇体动作的影响；3．）ω(t-1)为上一时刻蛇体接受到的外界信号的函数，此参数描述了蛇体的外界信号接口，并且补偿由于时间流逝造成的外界影响越来越大，以至于当前控制命令被忽略的问题（这个问题在试验的初期出现过，由于时间流逝造成C1*Σ(C2*t*ω(t-1))项越来越大，以至于主要控制指令项K(N-1,t-Δ(t))可忽略）；4．）C2*t 为权值与时间衰减系数之积，描述了时间流逝对蛇的记忆产生的影响，两个分立动作之间时间间隔越长，前者对后者的影响也就越小，C2 通过试验确定；5．）C3 为权值，通过试验确定一组值，再在符合给定条件的时候赋给相应的控制变量；L(t-1)项描述了蛇体上一时刻的状态对当前状态的影响。

此参数非常重要，因为某些动作能否完成取决于上一时刻蛇体的状态，比如上一时刻蛇体处于翻倒的状态，则当前时刻“眼镜蛇式侧移”是无法完成的，这样就要求翻倒后L(t-1)能趋于某个极限，这样则K(N,t)->K(N,t-1)，即蛇体不会动；不动的状态持续一定时间，当外界信号修正值C1*Σ(C2*t*ω(t-1))达到给定阈值且相应标志值为真时，L(t-1)恢复原值，蛇体自动执行翻身动作；SolidSnake II 利用各关节处的舵机来控制各杆件的相对运动，以构成要求的姿态和运动过程。

我们的蛇形机器人具有多种不同的运动方式，包括：蠕动前进/后退，游动前进/后退，翻越障碍，横滚，横向游动，测滚等。

还有其他的辅助运动，包括抬起头部关节，翻倒后自动翻身等等。

同时，依靠蛇体中位的调节，我们可以实现蛇体在游动中的转向。

根据以上公式以及我们设计的运动要求，SolidSnake II 具有包括蠕动一个关节、扭曲相邻关节、固定一个关节在某个相位、放松一个关节等基本动作能力(即K(N,t))，通过（1）的简化模型K(N,t)=K(N-1,t-dt) （2）我们可以得到一个完整、平滑、比较自然的单个波峰，蠕动波形前进的运动，如图2 所示。

图2为保证蛇体运动时波形的延续性，我们设计在8 节蛇体内传递两个波形，这样在传递波形时，就可以保证波形的连续性（因为蛇体的节数限制波形数）。

同时，调节蛇体运动的水平和垂直的相位差，以及水平面内和垂直平面内的相位差，我们也可以得到不同的运动方式。

3.摩擦力对蛇形机器人运动的影响：蛇形机器人的蠕动和游动能否顺利进行，如何有效地减少摩擦，利用摩擦去推动蛇体运动也是一个必须解决的关键问题。

摩擦力与蛇体的重量，地面环境的粗慥程度有关。

经过分析，在不同的环境中，蛇体的弯曲角度与摩擦系数有着一定的联系。

但在大多数的平坦地面上，影响的主要因数是蛇体的重量、结构。

我们模拟进行了摩擦系数测试后，SolidSnake II 模型采用轻质塑料制成，有三种组合蛇体：裸机、半整机与整机；整机双向从动轮设计可以有效的降低摩擦力的影响。

同时，蛇体两侧增加的从动轮，实现了游动的平滑过渡，从动轮使有效摩擦力的作用明显增加。

经过实践测试，我们发现，从动轮的设计基本可实现蛇体的轻松游动。

同时，从动轮也不会减少蠕动的推动力。

4.蛇形机器人的自主运动：由于蛇形机器人可适应不同的环境要求，在防爆、反恐等领域有着广阔的应用前景。

因此，针对蛇形机器人的远程控制和自主控制也是一项研究的热点和难点。

SolidSnake II–研究版装配有摄像头和图像传输系统，通过远控计算机，方式可实现随时调节，因此机器蛇在复杂的环境中有自主避障的运动能力，可穿过复杂的迷宫环境。

同时，该蛇形机器蛇能跨越较低的障碍物。

SolidSnake II的主要技术参数：四、产品系列总体介绍一）、博创蛇形机器人介绍仿生机器人学正在机器人领域占有越来越重要的位置，而由于其自身的典型性，蛇形机器人是仿生领域的热点研究方向。

北京博创兴业科技有限公司早在2001年研制出了UP-SolidSnake II蛇形机器人，是国内第一款也是唯一一款用于高等院校机电教学的蛇型机器人。

UP-SolidSnake是仿生机器人、机器人运动学和机电控制的机器蛇教学良好实验平台。

目前的UP-SolidSnake II蛇形机器人标准配置为12自由度。

二）、UP-SolidSnake II的构成图1为机器蛇的关节零件，采用开模注塑工艺，重量轻外形美观图2为机器蛇的驱动电机，这种伺服电机是航模、小型机器人上时常用到的舵机。

图3为机器蛇的单节模块，它由一个伺服电机（舵机），和一个关节零件组成。

图4为机器蛇的一个单元、由两个单节模块、两个轮子、一块从机板组成，即两节为一个单元。

蛇的每个单元都具有横向与纵向两个的自由度。

图5为机器蛇实物图，由6或8个单元以及蛇头、蛇尾组成。

蛇头内装有主控板且蛇头前端可加装摄像头。

图6为机器蛇整机配件图。

包括镍氢电池组一个，无线模块一个。

图1：关节零件图2：伺服电机（舵机）伺服电机关节零件图3：单节模块 图4：单元从机板 轮子 图5：实物图蛇头蛇尾电池无线模块图6：整机配件三）、UP-SolidSnake II的控制系统：整个SolidSnake控制系统，先由上位机（PC）通过无线串口发送指令字符串至蛇体主控板。

接着由主控板对指令进行解析重组，发送到各关节从机板。

从机板根据收到的主控板指令控制各关节的运动。

•主控板：一块，主芯片采用8位微处理器—mega128，放置于蛇头内•从机板：6块，主芯片采用8位微处理器—mega8，安装于蛇的各个单元上，每单元一块•接口：RS232/485 /USB•驱动控制：基于网络协议的伺服电机位置环•通讯链路：9600bps/433MHz数传电台•上位机：具有RS232/USB接口的PC系统PC端控制界面四）、UP-SolidSnake II技术参数列表实用版研究版关节布局12关节6单元16关节8单元结构长/宽/高800x65x65mm1000 x65x65mm重量 1.2kg 1.5kg工作电压直流6V直流6V工作电流2A 最大5A2A 最大5A控制主处理器8位微处理器—mega1288位微处理器—mega128从机板处理器6个8位微处理器—mega88个8位微处理器—mega8接口RS232/485 /USB RS232/485 /USB通讯链路9600bps/433MHz数传电台9600bps/433MHz数传电台驱动控制基于网络协议的伺服电机位置环基于网络协议的伺服电机位置环操作系统Windows2000/xp Windows2000/xp软件开发库通讯类源码、指令类源码通讯类源码、指令类源码运动设计软件单关节控制+整体运动控制单关节控制+整体运动控制运动数据游动、蠕动、侧移、抬头游动、蠕动、侧移、抬头、翻滚、原地转弯其他运动仿真软件运动仿真软件扩展无线摄像头红外传感器2个五）、常见问题l问：机器蛇是靠身体上的轮子驱动前进的吗？l答：不是。