機(jī)器蛇——機(jī)器人中最自由的行者

    機(jī)器蛇，說(shuō)它是所有機(jī)器人中最自由的一種，一點(diǎn)都不為過(guò)。正常一個(gè)剛性物體，放在空間中，它最多才具有6個(gè)自由度，即XYZ三個(gè)軸的旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)。一個(gè)別的類型機(jī)器人可能只有3、4個(gè)自由度，比如前進(jìn)、后退、平地旋轉(zhuǎn)，但一條機(jī)器蛇就不同了，因?yàn)樗哂袛?shù)十個(gè)由舵機(jī)及舵機(jī)支架組成的關(guān)節(jié)，以致于它本身具有的自由度已大大超過(guò)6個(gè)自由度，稱之為多冗余自由度。由于它獨(dú)有的多冗余自由度、多關(guān)節(jié)特點(diǎn)，使機(jī)器蛇可以在多種復(fù)雜的地形中行走，機(jī)動(dòng)性能較傳統(tǒng)的行走機(jī)器人好，有非常廣泛的多領(lǐng)域應(yīng)用前景。例如可以用于復(fù)雜環(huán)境中偵查、排爆，搜救等任務(wù)；工業(yè)上制作柔性手臂；也可以在細(xì)小的管道內(nèi)工作。

         圖1以色列制作的軍事應(yīng)用機(jī)械蛇              圖2 民用版本的機(jī)器蛇

機(jī)器蛇——不用專制，亦可擁有

    網(wǎng)上出名的幾個(gè)機(jī)器蛇，動(dòng)輒是國(guó)家級(jí)的背景，或者是幾十人的團(tuán)隊(duì)，花了好幾年的心血，才制成， 當(dāng)然錯(cuò)不了，效果相當(dāng)好。但它們可不會(huì)出現(xiàn)在你的桌子上，跟你一起看電影。下面就帶大家來(lái)用網(wǎng)上唾手可得的一些機(jī)器人零件，來(lái)DIY一條可以掛在你自已脖子上的仿生機(jī)器蛇。(上圖一張，讓大家先來(lái)個(gè)臉熟)

     圖3 舵機(jī)支架組裝的靈活仿生機(jī)器蛇

機(jī)器蛇——制作它都要什么？

    因?yàn)閷?duì)機(jī)器人還算有了解，整理起它的零件還不算難：鋁合金舵機(jī)支架、L型支架、短U型支架、防水舵機(jī)（考慮到以后可能會(huì)升級(jí)成水蛇）、32路舵機(jī)控制器（因?yàn)橛玫搅?2個(gè)舵機(jī)、常規(guī)的Arduino控制器在端口數(shù)量，電流大小上已不合適）、動(dòng)作存儲(chǔ)卡、塑料柱腳、小車(chē)輪、軸等。還有，一定要加上你的Idea！因?yàn)楫?dāng)你已經(jīng)把一大堆零件堆在一起了，但卻沒(méi)想好你那條蛇的細(xì)節(jié)、結(jié)構(gòu)、組裝方法，那你會(huì)暈菜的，可能你的機(jī)器蛇沒(méi)有裝出來(lái)，螺絲已經(jīng)都被你來(lái)來(lái)回回的擰禿了。為了以后升級(jí)，改造方便，我用了3D建模軟件 ，把所有的零件全畫(huà)好3D圖，然后在軟件中虛擬裝配，直到組合出滿意的連接方式。

    圖4 大從動(dòng)輪的機(jī)器蛇方案        圖5 小從動(dòng)輪的機(jī)器蛇方案          圖6 機(jī)器蛇的關(guān)節(jié)部分

機(jī)器蛇——怎么讓它像蛇一樣的動(dòng)起來(lái)？

    再加上你的Idea! 這段對(duì)數(shù)學(xué)不好的同學(xué)有困難，因?yàn)樯婕暗搅艘恍┻\(yùn)動(dòng)算法，（我不會(huì)告訴你，這里我也有困難的）。下面簡(jiǎn)單說(shuō)一下吧。

    首先，在你的腦海里繪出一個(gè)正弦波形，把機(jī)器蛇的關(guān)節(jié)放在特征點(diǎn)上，4個(gè)關(guān)節(jié)組成一個(gè)周期的正弦波，機(jī)器蛇最簡(jiǎn)單的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)際上就是正弦波向前傳遞的過(guò)程；第1、5、9號(hào)關(guān)節(jié)是始終同步動(dòng)作的，其余各相鄰關(guān)節(jié)之間也是相差1/4的波形周期 。

    然后，當(dāng)你腦海里的那條蛇已經(jīng)動(dòng)起來(lái)后，你就可以把機(jī)器蛇運(yùn)動(dòng)一個(gè)周期各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的角度數(shù)據(jù)編制成一張excel表格，然后定時(shí)的按表格中的數(shù)據(jù)改變每個(gè)關(guān)節(jié)上的舵機(jī)的脈寬，就可以簡(jiǎn)單有效的實(shí)現(xiàn)整條蛇的正弦運(yùn)動(dòng)啦。

圖7 機(jī)器蛇一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)的舵機(jī)角度特征值

機(jī)器蛇——蛇無(wú)頭不行

    機(jī)器蛇身體制作完，可以活動(dòng)了，但蛇無(wú)頭不行嘛，要給它弄個(gè)像樣的頭才行。我用了藍(lán)色的PVC塑料，折成蛇頭，配了兩個(gè)紅色的LED眼睛。金色舵機(jī)支架黑色舵機(jī)構(gòu)成的蛇身，藍(lán)色的蛇頭，紅色的眼睛，對(duì)比鮮明的顏色，讓這條機(jī)器蛇看起來(lái)高端大氣上檔次。

                          圖8 機(jī)器蛇的藍(lán)色蛇頭紅眼睛      圖9 機(jī)器蛇的金色蛇身黑舵機(jī)

    不過(guò)，這條小機(jī)器蛇現(xiàn)在只是能完成前后蠕運(yùn)、游動(dòng)、抬頭、掃視、盤(pán)臥等基本的動(dòng)作，也只參加過(guò)一回2013上海創(chuàng)客嘉年華的展示，要想同網(wǎng)上那些“大蛇”們一樣，又是上樹(shù)，又是爬墻的，在實(shí)際應(yīng)用中大顯身手，還欠許多功力，有待于日后繼續(xù)發(fā)掘。

圖10 2013上海創(chuàng)客嘉年華奧松展臺(tái)

圖11 2013上海創(chuàng)客嘉年華機(jī)器蛇展示

             圖12 盤(pán)臥的機(jī)器蛇          圖13 機(jī)器蛇抬頭              圖14 機(jī)器蛇掃視

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百度百科機(jī)器蛇 http://baike.baidu.com/
挑戰(zhàn)杯中關(guān)于機(jī)器蛇的說(shuō)明 http://www.tiaozhanbei.net/project/11055/
鋁合金舵機(jī)支架 http://lifestyle201.com/goods-283.html
機(jī)器人常用配件 http://lifestyle201.com/category-90-b0.html
防水舵機(jī) http://lifestyle201.com/goods-438.html