蛇关节连接方式简介

此前已经简要介绍了蛇的骨骼结构及其特点，其脊椎间采用球套式结构连接而成，类似于有一定形状限制功能的球铰连接，巧妙的生物关节连接方式和高超的运动实现形式虽然十分复杂，但却具有很高的参考作用，在实际制作仿蛇机器人时，人们可以根据不同的研究目标和应用场景，建立基于蛇的骨骼结构而构建的仿蛇机器人实体模型，使整个研制工作从一开始就处在良性发展的态势中。目前仿蛇机器人常用的关节模块按照运动副连接形式可大致分为平行连接关节、正交连接关节、万向连接关节、P-R连接关节等。

1.平行连接关节

图2-12所示为采用平行连接关节的仿蛇机器人连杆模型，从图可见，该类型的仿蛇机器人结构比较简单，控制起来也比较容易，但这种仿蛇机器人只能实现二维平面内的运动，即只可以使相应的机构在水平或垂直平面内运动，例如蜿蜒运动和行波运动等，运动形式比较单一。在这种结构方式中，仿蛇机器人各相邻关节连杆间的转动副轴线互相平行且与身体纵轴方向垂直，此时若将关节连杆1固定，关节连杆2在理论上就可以绕关节连杆1做正反180°的转动。

图2-12　仿蛇机器人平行连接关节模型

2.正交连接关节

图2-13所示为采用正交连接关节的仿蛇机器人连杆模型，从图可见，该类型的仿蛇机器人可以实现三维空间内的运动，不仅可以单独在水平面内转动或垂直平面内转动，如蜿蜒运动和行波运动等，而且可以同时在水平面和垂直面转动，如蛇的翻滚运动和螺旋攀爬运动等。在这种结构方式中，仿蛇机器人各相邻关节连杆间的转动副轴线互相垂直且与身体纵轴方向垂直。此时若将关节连杆1固定，关节连杆2理论上可以绕关节1做正反180°的转动，关节连杆3理论上可以绕关节2做正反180°的转动。

图2-13　仿蛇机器人正交连接关节模型

在无其他条件约束下，两个转角的取值范围均为[-180°，180°]。那么这种情况下连杆3末端的运动范围就是一个内径为零的环管形的表面的三维空间。正交关节的连接方式比其他的连接方式具有结构简单、连接可靠、成本低廉、控制稳妥等优点，因此本书设计的仿蛇机器人采用的关节模块连接方式就是正交连接。(www.xing528.com)

3.万向连接关节

图2-14所示为采用万向连接关节的仿蛇机器人连杆模型。由图可见，该类型的仿蛇机器人的关节连杆可在三维空间绕同一点做任意相对转动，灵活性大，可实现在二维平面上、三维空间内复杂多样的运动姿态，但是这种机器人的加工精度要求较高，而且制作成本也较高。同时，复杂的结构也会使仿蛇机器人的控制变得困难和复杂。在这种结构方式中，仿蛇机器人以关节连杆1和关节连杆2的交点为原点，前面两关节会发生转动，这两个连杆的转动角度与关节结构设计和驱动器转动范围有关，理想条件下其范围为[-180°，180°]。

图2-14　仿蛇机器人万向节连接关节模型

采用万向节连接方式可以使仿蛇机器人具有三维运动能力，且活动起来十分灵活。但万向节的控制难度往往很高，精确控制的难度就更大，而且万向节加工较为复杂烦琐，从实用角度和经济角度来看是否选用万向节连接方式都需要慎重考虑。

（4）P-R连接关节

图2-15所示为采用P-R连接关节的仿蛇机器人连杆模型。由图可见，该类型的仿蛇机器人可实现三维空间内复杂多样的运动姿态，相对万向连接关节较易实现与控制，但P-R连接关节模块的长度较长，体积也较大，对在狭窄空间使用的仿蛇机器人来说具有一定的局限性。在这种结构方式中，仿蛇机器人的关节连杆1与关节连杆2以转动副连接在一条直线上，但转动轴线与该直线重叠。如果此时固定关节连杆1，那么关节连杆2可以自转360°；关节连杆2和关节连杆3以转动轴连接且轴线垂直机器人身体的纵轴；以关节连杆1和关节连杆2连接坐标原点，假设连杆1处于固定状态，连杆2理论上可以自转360°，连杆3可以绕关节连杆2进行正反180°的转动。

图2-15　仿蛇机器人P-R连接关节模型

P-R关节与万向节一样，能进行全方位的球面运动。但是P-R关节毕竟是复合关节，对控制要求很高，要进行高精度的控制需要关节本身的加工非常精细，而且需要控制器抗干扰能力很强，这将导致控制成本增高。而且P-R关节相对来说比较细长，不利于仿蛇机器人在各种复杂环境进行运动。