機器蛇系統(tǒng)構(gòu)架和運動原理

機器蛇運動原理和系統(tǒng)構(gòu)架（一種愿望，一種安排，一種努力）中國農(nóng)業(yè)大學(xué)王偉22-1機構(gòu)設(shè)計一般，借鑒了已有的設(shè)計。成績評定C（一）機器蛇的結(jié)構(gòu)設(shè)計范例作業(yè)評價22-2組按照要求完成了作業(yè)，交了兩份作業(yè)；且其設(shè)計之一（左上圖）新穎，獨特，且做的很細致，裝配關(guān)系明了可行。成績評定為A23-2深入理解了蛇的構(gòu)造，兼顧了二維和三維，有創(chuàng)新。沒有設(shè)計總結(jié)成績評定A23-3機構(gòu)設(shè)計有創(chuàng)新，兼顧了二維和三維的結(jié)構(gòu)組合；有新意；設(shè)計報告寫得較深刻，涉及意圖明確；成績評定：A作業(yè)評價此結(jié)構(gòu)仿造ss機器蛇樣機。用caxa軟件設(shè)計。作的非常的細致，尺寸等也非常的合適。有機構(gòu)設(shè)計說明書但是建議大家發(fā)揮自己的靈感，自己創(chuàng)新，不要拘于現(xiàn)有的國內(nèi)外蛇的機構(gòu)。成績評定為B31-2組作業(yè)評價32-1組此結(jié)構(gòu)作的有新意。四面平整，殼體結(jié)構(gòu)也很簡潔實用，加工性比較好。有設(shè)計文檔機構(gòu)的細部作的不足。略顯粗糙。成績評定為A作業(yè)評價32-2組此結(jié)構(gòu)為完全仿造ss機器蛇樣機。用caxa軟件設(shè)計。作的非常的細致，尺寸等也非常的合適。有機構(gòu)設(shè)計說明書但是建議大家發(fā)揮自己的靈感，自己創(chuàng)新，不要拘于現(xiàn)有的國內(nèi)外蛇的機構(gòu)。成績評定為B41-2采用圓形的蛇體結(jié)構(gòu)，有新意，但在實用上會用問題；沒有設(shè)計總結(jié)；成績評定：B作業(yè)評價51-1組按照要求完成了作業(yè)，且其設(shè)計之一（左上圖）新穎，獨特，且做的很細致，裝配關(guān)系明了可行。成績評定為A作業(yè)評價51-2組此機構(gòu)亦為仿ss樣機機構(gòu)沒有設(shè)計文檔建議自己創(chuàng)新。成績評定為C52-1組機構(gòu)設(shè)計比較細致，但一般。沒有文檔說明成績評定為B（二）機器蛇的運動分析機器蛇的主要運動方式是：在不同的時刻，對不同的關(guān)節(jié)運動姿態(tài)進行有序的排列，由于受力關(guān)系的不同，產(chǎn)生各種各樣的運動形式。以蠕動機理為例說明：要保證運動波形能夠順利的傳播，利用三連桿機構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點實現(xiàn)有效位移的傳遞。為保證有效位移的順利傳遞，從機器蛇尾部開始進行三角波的傳遞。

機器蛇運動過程分為三個過程：步距產(chǎn)生階段，步距傳遞過渡階段，步距傳遞階段。1、步距產(chǎn)生階段通過計算機串口輸入數(shù)據(jù)控制機器蛇尾部第2節(jié)點處的舵機，使舵機沿著順時針方向旋轉(zhuǎn)過一定的角度,由于要克服桿的重力、地面的摩擦力和相鄰桿件之間的約束，使第1節(jié)連桿和第2節(jié)連桿產(chǎn)生垂直方向的角度變化,在結(jié)束時，形成的機器蛇體態(tài)，如上圖B，可以產(chǎn)生水平方向的一個步距，即圖示的位移L。2、步距傳遞過渡階段為保證在以后的運動中，產(chǎn)生的有效位移不會消失或衰減，必須使后續(xù)運動能保證有效位移L不損失。即后續(xù)的三連桿機構(gòu)必須按照一定的方式運動，只有這樣，經(jīng)過運動積累，才能保證機器蛇產(chǎn)生向前的運動。步距傳遞的過渡階段要將上一階段產(chǎn)生的步距L從節(jié)點1－2－3平穩(wěn)的傳遞到節(jié)點2－3－4，如圖B－C。期間，蛇體的運動只在節(jié)點1－2－3－4之間運動，而其余節(jié)點的舵機不參與運動。3、步距傳遞階段：

步距傳遞過渡階段結(jié)束以后，改變節(jié)點2的旋轉(zhuǎn)方向，使節(jié)點2向下運動，節(jié)點3保持原來的運轉(zhuǎn)速度和運轉(zhuǎn)方向不變，節(jié)點3向上運動，形成的運動姿態(tài)如圖B2。接下來，節(jié)點2快速下降，節(jié)點3以較小的變化角度向上增加一定的值，形成的運動姿態(tài)如圖示B3。最后，節(jié)點2降低到與地面接觸，完成由節(jié)點1－2－3到節(jié)點2－3－4的平穩(wěn)傳遞。由圖示B1、B2、B3可以看出，步距在由圖B－C的傳遞過程中沒有產(chǎn)生有效位移的損失。

重復(fù)以上的過程，波峰將從節(jié)點3又向前傳遞一次。如果機器蛇的步距傳遞的姿態(tài)如圖I時，機器蛇完成了一個動作循環(huán)，即機器蛇前進了一個步距L。在不同的時刻，重復(fù)上述的運動姿態(tài)和控制過程，機器蛇在要求的運動方向上實現(xiàn)運動。如果改變控制時各個節(jié)點的時序，即機器蛇的頭部先產(chǎn)生運動，機器蛇就可以實現(xiàn)向后的運動。根據(jù)以上的分析結(jié)果，可以完成一個波在垂直方向上的傳遞，實現(xiàn)蠕動。

采用舵機驅(qū)動，而舵機的角速度和角加速度不需要控制，因此在具體的操作中，只需計算出蛇體在極限位置處的旋轉(zhuǎn)角度，然后對這些計算的角度值進行插值計算，就可以得出在不同的時刻內(nèi)，機器蛇的某個關(guān)節(jié)處的旋轉(zhuǎn)角度值。但在實際的應(yīng)用中，在整條蛇體內(nèi)傳播單個波形時，受時延的影響，如果蛇體的關(guān)節(jié)數(shù)量較多，從機器蛇的尾部傳遞到頭部所需的時間太長，造成前進的速度太慢。且每一個波形傳遞不連續(xù)，不能形成連續(xù)的波形傳遞。為克服單個波形傳遞速度慢、波形不連續(xù)的缺點，下面介紹連續(xù)波傳動的情況。在波形的傳遞過程中，步距保持為一個定值，其大小與傳動的起始角度有關(guān)。由圖看出，當機器蛇的任意一個關(guān)節(jié)點經(jīng)過圖示1－12個運動姿態(tài)變化后，形成的一個完整的姿態(tài)循環(huán)。（1）中位的確定：機器蛇的運動是各個關(guān)節(jié)的角度發(fā)生了變化，必須確定機器蛇的中位才能得到不同的角度變化。中位規(guī)定為當各個關(guān)節(jié)的夾角為0時。因此可以計算出從姿態(tài)1到姿態(tài)12機器蛇的同一關(guān)節(jié)不同時刻的關(guān)節(jié)角度值根據(jù)時延不同對機器蛇的每一關(guān)節(jié)處的舵機循環(huán)加載此數(shù)組，就可以實現(xiàn)機器蛇連續(xù)的運動。在實際的處理中，采用對舵機進行點位控制，相鄰角度值不能變化過大（<=100），否則運動不平滑，因此，需對以上數(shù)組進行插值處理，把以上包含12個角度的數(shù)組，擴展為32位或64位的數(shù)組。如果得出的數(shù)組不是12位，同樣需要把它插值為32或64位。

對于舵機控制，沒有角加速度的控制量，因此旋轉(zhuǎn)的角度應(yīng)盡量接近，這樣就能達到滿意的運動形式?？梢岳貌逯捣椒ㄐ纬?4位數(shù)組。我們根據(jù)相鄰點處角度差值的大小，采用均勻插值的方法插入相應(yīng)的數(shù)值，比如-52゜與-30゜之間相差22゜，我們插入兩個值，而-30゜和0゜之間相差30゜，我們插入三個值。經(jīng)過插值后的64位數(shù)組：{90,86,82,79,75,71,67,64, 60,56,52,49,45,41,37,34,

30,34,37,41,45,49,52,56, 60,64,67,71,75,79,82,86,

90,94,97,101,105,109,112,116, 120,124,127,131,135,139,142,146, 150,146,142,138,135,131,127,124, 120,116,112,108,105,101,97,94}5、機器蛇SolidSnakeII的運動合成：蠕動游動：只需利用以上蠕動運動的旋轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)，把垂直方向的角度值改變?yōu)樗椒较虻慕嵌茸兓?，而保持垂直方向的角度不變化，機器蛇就可以實現(xiàn)在地面上的靈活運動。扭動：蠕動和游動的組合運動。兩個方向結(jié)合產(chǎn)生橫向側(cè)滾運動

系統(tǒng)構(gòu)架及通訊協(xié)議機構(gòu)設(shè)計+單片機機器蛇由部分到整體機器蛇的控制系統(tǒng)構(gòu)架

機器蛇的控制系統(tǒng)構(gòu)架機器蛇硬件控制結(jié)構(gòu)說明：PC為上位機；下位機為機器蛇本體，包括主控板和從機板；主機（host）處理器采用Atmega128；從機slave采用Atmega8，每個從機模塊控制兩個正交向的舵機工作。

機器蛇的控制系統(tǒng)構(gòu)架層次式結(jié)構(gòu)機器蛇控制系統(tǒng)采用遞階分布式結(jié)構(gòu)，分為組織層、協(xié)調(diào)層、執(zhí)行層三層；組織層完成用戶界面、任務(wù)規(guī)劃、視頻顯示處理等功能；協(xié)調(diào)層完成控制、協(xié)調(diào)計算和數(shù)據(jù)分發(fā)等功能；執(zhí)行層完成關(guān)節(jié)舵機伺服功能。機器蛇的控制系統(tǒng)構(gòu)架層次式結(jié)構(gòu)機器蛇的組織層：PC端的控制軟件；考慮到實驗操作的直接方便，組織層采用超級終端或者串口調(diào)試助手；協(xié)調(diào)層的功能由位于機器蛇頭部的主控板來實現(xiàn)；

存儲各運動模式的數(shù)據(jù)；各組設(shè)計運動數(shù)據(jù)將燒寫固化至主控板；執(zhí)行層指各個從機控制板和舵機模塊；各組的實驗板即為從機控制板。機器蛇控制系統(tǒng)構(gòu)架返回機器蛇的控制系統(tǒng)構(gòu)架運動控制流程概述PC的控制軟件通過RS232給機器蛇頭部主機發(fā)送指令數(shù)據(jù)來控制機器蛇的運動；頭部主機接收到指令確認無誤后，解析數(shù)據(jù)幀，處理綜合數(shù)據(jù)后，將各個執(zhí)行末段舵機的角度以廣播方式通過總線分發(fā)到各個從機；接著就如上次實驗所述來控制舵機的轉(zhuǎn)動了，至此，機器蛇的運動實現(xiàn)了。機器蛇的控制系統(tǒng)構(gòu)架一般的簡單的機器人控制系統(tǒng)就是這樣的上下位機構(gòu)架。當然更復(fù)雜的系統(tǒng)在各個層面上會有很多不同，但那只是手段不同，其骨架基本都是一樣的。本次課程主要介紹上下位機（PC和主控板）之間的通訊。

機器人控制中常見的通訊方式機器人所采用的通訊方式根據(jù)實際需要來選擇。例如方便性，速度，通訊可靠性，通訊距離，錯誤處理等，也有功能對網(wǎng)絡(luò)形式上的要求，當然這些都不是絕對的，只是有個更佳的選擇問題。機器人控制中常見的通訊方式CAN（ControllerAreaNetwork）CAN總線原是Bosch公司為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制和測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的，由于其在數(shù)據(jù)通信上具有突出的可靠性、實時性和靈活性，應(yīng)用范圍已由原來的汽車行業(yè)擴展到了過程工業(yè)、機械工業(yè)、紡織工業(yè)、農(nóng)用機械、機器人、數(shù)控機床、醫(yī)療器械以及傳感器等領(lǐng)域。CAN總線是一種多主總線，通訊介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維，通信速率可達1Mbps。機器人控制中常見的通訊方式I2C（Inter-IC）

I2C（Inter-IC）總線是由Philips公司推出的一種新型總線標準，是同步通信的一種特殊形式。具有接口線少（二線傳輸），控制方式簡化，器件封裝形式小，通信速率較高等優(yōu)點。標準模式下數(shù)據(jù)傳送速率可達100kbit/s，高速模式下可達400kbit/s。I2C（Inter-IC）I2C總線是串行總線，可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，在CPU和被控IC之間，IC與IC之間進行雙向傳送。總線上并接的每一模塊既是主控器（或被控器）又是發(fā)送器（或發(fā)送器），這取決于它所要完成的功能。CPU發(fā)出的控制信號分為地址碼和數(shù)據(jù)碼兩部分，地址碼用來選址，確定總線通信的唯一器件，數(shù)據(jù)碼是通信的內(nèi)容。這樣掛在同一條總線上的各控制模塊彼此獨立互不干擾。機器人控制中常見的通訊方式RS232/RS485總線

目前RS-232是PC機與通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串行接口，被定義為一種在低速率串行通信中增加通信距離的單端標準。RS-232是為點對點（即只用一對收、發(fā)設(shè)備）通信而設(shè)計的，其驅(qū)動器負載為3～7kΩ。由于RS-232發(fā)送電平與接收電平的差僅為2V至3V左右，所以其共模抑制能力差，再加上雙絞線上的分布電容，其傳送距離最大為約15米，最高速率為20kb/s。RS232/RS485總線為改進RS-232通信距離短、速度低的缺點，在RS232基礎(chǔ)上發(fā)展了RS422接口標準，它是一種單機發(fā)送多機接收的單向平衡規(guī)范。為擴展應(yīng)用范圍，在RS-422的基礎(chǔ)上又發(fā)展了RS-485標準，增加了多點、雙向通信能力，通常在要求通信距離為幾十米至上千米時，廣泛采用RS-485收發(fā)器。RS232/RS485總線RS-485收發(fā)器采用平衡發(fā)送和差分接收，即在發(fā)送端，驅(qū)動器將TTL電平信號轉(zhuǎn)換成差分信號輸出；在接收端，接收器將差分信號變成TTL電平，因此具有抑制共模干擾的能力，加上接收器具有高的靈敏度，能檢測低達200mV的電壓，故數(shù)據(jù)傳輸可達千米以外。無線通訊常采用無線數(shù)傳電臺，一般都提供有RS232或RS485的接口，很方便使用。在機器蛇中采用的是串行通訊，與PC通訊用的是RS232接口標準，是最常見最方便得到的接口資源。對于一些簡單的應(yīng)用，幾十個甚或上百個字節(jié)的通訊數(shù)據(jù)量來說，通過一些簡單的錯誤處理，都能足夠滿足我們的需要，再考慮上成本，確實是個不錯的選擇。當然并非說這就是最佳選擇，如果我們的功能要求復(fù)雜些，需要更多的設(shè)備提供實時可靠數(shù)據(jù)交換的話，可能就需要選擇其他的通訊方式了。比較：這里所說的通訊協(xié)議是指應(yīng)用層用戶所制定的通信協(xié)議，采用數(shù)據(jù)幀格式，每幀含有若干個字節(jié)數(shù)據(jù)，考慮幀的起始、尋址、結(jié)束和錯誤處理，面向字節(jié)。應(yīng)用層通訊協(xié)議一般的應(yīng)用層通訊協(xié)議的幀結(jié)構(gòu)如下圖機器蛇的通訊協(xié)議假設(shè)現(xiàn)有一個機器蛇系統(tǒng)，基本結(jié)構(gòu)如前所述。硬件環(huán)境：采用8個直流伺服電機驅(qū)動，每個電機對應(yīng)一個伺服模塊，頭部有一個主機，主機通過一條RS485總線帶8個伺服模塊，通過RS232和PC機通訊。機器蛇的通訊協(xié)議

控制要求（一）：

1）完成前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)動作，要求能以不同的速度前進后退左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)；

2）有啟動、停止功能，要求能夠快速置中位，即機器蛇停止；

3）頭部主機內(nèi)置幾種運動模式的方程，要求能夠調(diào)節(jié)各種運動模式的速度和波動的幅度；分析：1）中所述的動作都是由3）中所說的幾種運動模式方程生成，我們可以用一個字節(jié)的高6位來表示運動模式，可以表示26=64種模式，已經(jīng)足夠用了；低兩位組合來表示前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)四種動作；接著用一個字節(jié)表示速度或者速度基量；一個字節(jié)表示波動幅度或其基量；機器人控制通訊協(xié)議控制要求（二）：有兩種控制方式：一、PC發(fā)送運動模式指令+運動參數(shù)，由主機處理計算數(shù)據(jù)控制各個電機；二、越過主機，由PC直接實時控制每個電機的狀態(tài)，各個電機之間不相關(guān)；并且在兩種控制方式切換時，機器蛇的狀態(tài)保持不變；需要識別每個從機板；分析：用一個字節(jié)直接表示啟動停止和置中位指令；用一個字節(jié)的高四位表示兩種控制方式，用低四位表示8個電機的地址編號，再用一個字節(jié)表示對應(yīng)電機的角度控制要求三：能夠判斷收到的是否為正確完整的數(shù)據(jù)幀分析：

幀校驗有循環(huán)冗余碼、奇偶校驗和校驗和等幾種常見的方式，這里采用校驗和。結(jié)構(gòu)定義如下：UP-SOLIDSNAKE教學(xué)實驗系統(tǒng)通信協(xié)議

無線發(fā)送模塊

這是一個簡單的控制協(xié)議，只考慮了機器蛇的簡單動作控制；如果考慮增加傳感器設(shè)備，很多狀態(tài)量反饋，操作方式、調(diào)試工作和控制軟件界面等各種因素，那么這個協(xié)議就復(fù)雜了，有些項是在邊調(diào)試邊增加的。附錄中附有目前機器蛇所用的控制協(xié)議。結(jié)語2、實驗步驟：1、用ImageCraftDevelopmentTool打開所提供的源程序host.h，用你自己的數(shù)組替換原來的數(shù)組Charangle_x_r1[64]={......}里的數(shù)據(jù)。本實驗所提供的源程序所取的角度變