基于Labview的蛇形机器人控制系统设计

黄子毫 王博 程超 柳健 刘书生 白琨

【摘 要】本文以实现蛇形机器人的蜿蜒移动为目标，基于Labview平台对蛇形机器人进行了控制系统设计。首先介绍了舵机的选择，其次分析了8个舵机实现蛇体蜿蜒运动的工作流程，并依此设计了控制面板，进行了舵机控制程序调试，最终实现了根据安装在机器人头部的摄像头采集的反馈信息自主控制各个关节舵机的运转，为进行蛇形机器人其它运动形态的控制设计等奠定了基础。

【关键词】蜿蜒移动；Labview；控制设计

中图分类号： TM273 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）27-0021-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.27.009

0 引言

我国各种自然灾害频发，灾后救援是减少生命财产损失的重要工作。应急救援机器人成为研究的热点，其中蛇形机器人具有稳定性好、横截面小、柔性等特点，其在废墟搜救工作中具有广阔的应用前景。本文在一种蛇形机器人结构的基础上，对其进行控制设计，以实现蛇类最为普遍的运动方式-蜿蜒运动。

1 蛇形机器人结构

本文蛇形机器人结构如图1所示，采用舵机作为控制器，并将舵机直接作为蛇体模块，模块与模块之间的关节采用连接杆连接。即在舵机上安装一个舵机盘，在舵机盘上固定一个链接杆，连接杆末端是一个球绞，在另一个单元模块上链接一个一个曲柄，曲柄通过与球绞链接，从而与后一个单元模块连接起来。当舵机发生转动时，连杆也同步于舵机发生转动，从而带动曲柄发生转动，因为舵机盘转动时，角度发生变化，起到链接作用的两个组链接杆的相对距离是不同的，从而带动另一个单元模块发生移动，单元模块下的轮子是万向滚珠，并不会对单元模块移动时产生过大的阻力。单个模块间产生相对运动，整体亦相对运动，控制这种相对运动让其满足蜿蜒运动模式。本设计是通过躯动尾部蜿蜒摆动，将躯干向前挪动，同时头部是保持不动的。机器人的头部、尾部的设计大体相似，便于零件的加工和替换，蛇形机器人的头部作为搜救、探测的主要部分，应该具备天线、红外探测传感器、微型摄像头等。

2 控制系统设计

2.1 舵机的选择

舵机，即一种伺服电机，它是一种集成化的机构，包括电机、牙箱、控制板、传感器和外壳五大模块。特别是在牙箱内，里面有形体很小的齿轮和齿轮轴，能够使得舵机这一模块方便的担负起转动的任务，并且不需要进行复杂的连接机构的设计，大大的方便了机器人的设计和提高了工作效率。

舵机种类繁多，大致可以分为三类：大扭力舵机、微型舵机、标准舵机。对于舵机来说，主要的性能有大小、重量以及扭力和速度，根据舵机内部的结构组成可以很清楚的知道舵机的扭力和速度是由舵机内部齿轮以及电机所决定的。通常来说，扭力就是舵机扭转的力度。速度，即指移动一个单位距离所用的时间，它与输入脉冲的脉宽有关，如图2所示。

本文根据设计需要，选用HITEC HS-475HB舵機。该舵机体积小、便于安装、控制简单。具体参数如下：

重量：40g

尺寸：38.8×19.8×36mm|

拉力：[4.8V] 4.4Kg.cm

拉力：[6.0V] 5.5Kg.cm

转速：[4.8V] 0.23sec/60°

转速：[6.0V] 0.18sec/60

2.2 控制程序设计

本文设计的蛇形机器人就是在蛇的头部安装了摄像头，通过NI公司研发的图形化编程软件LabVIEW进行编程控制来实现摄像头拍摄及信息反馈，针对反馈信息进行分析，从而控制蛇体各个关节模块进行不同的运动，完成一个完整的蜿蜒前行运动。蛇形机器人头部摄像头的控制程序如图3所示。机构涉及到8个舵机，在进行编辑舵机运动程序前先进行通讯参数调试。本文所选的舵机的摆动角度为0～180°，设定舵机的初始状态的角度为90°。假设8个舵机的初始状态的角度都是90°，则整条蛇体完成一次蜿蜒运动一共分为8步，如图4所示：1.①号舵机转动到60°；2.②号舵机转动到120°，①号舵机转到 30°；3.③号舵机转动到60°，②号舵机转动到150°，①号舵机转到90°；4.④号舵机转到120°，③号舵机转动到30°，②号舵机转动到 90°，①号舵机转到150°；5.⑤号舵机转到60°，④号舵机转到150°，③号舵机转动到90°，②号舵机转动到60°，①号舵机转到 90°；6.⑥号舵机转到60°，然后⑦⑧号舵机转到180°，⑤号舵机转到0°，③号舵机转动到150°；7.⑥号舵机转120°，然后⑦⑧号舵机转到90°；8.⑥号舵机转到 60°。控制面板和程序调控界面如图5所示。

3 结语

本文以实现蛇形机器人的蜿蜒移动为目标，基于Labview平台对蛇形机器人进行了控制系统设计。首先介绍了舵机的选择，其次分析了8个舵机实现蛇体蜿蜒运动的工作流程，并依此设计了控制面板，进行了舵机控制程序调试，最终实现了根据安装在机器人头部的摄像头采集的反馈信息自主控制各个关节舵机的运转，为进行蛇形机器人其它运动形态的控制设计等奠定了基础。

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