擺動前行機械蛇的制作方法
【技術領域】
[0001]本專利涉及一種由若干具有滑動輪支撐的蛇節(jié)相互轉動連接，形成整體擺動效果的類似蛇運動行為的機械蛇，仿真生物蛇的行走，探索生物蛇的行走的物理原理，為提供制造由擺動產(chǎn)生推進動力機械的依據(jù)；因此，本專利機械蛇的研制目的是提供以陸基，水基及航空中所使用的推進器設計方案的一種選擇。本專利本身可作為遙控玩具用于娛樂和教學。
【背景技術】
[0002]生物蛇的行走方式是以爬行為主，而爬行分為多腳爬行和擺動爬行；對于生物蛇的爬行的機理一直以來并不明確，而生物蛇的擺動爬行在人類的認識過程中逐漸認識到是一種在自然界中自然形成并占有較大比例的一類動物的行走方式，特別是一些行走與水有關的動物，如蛇、鱔魚、泥鰍、帶魚、甚至大部分的魚類都具有以擺動前行的特征；而在微觀物理世界中，以波動前行的事例將是處處可見，如光波、聲波、水波；在日常生活中，可以看到被風刮起的旗子，舞蹈中的甩絲帶，甩鞭子，和煙的上升軌跡，這些都具有類似蛇擺動時形成的曲線形狀；這些擺動的形狀它們不但是波動狀的，而且還能和其周圍的介質(zhì)產(chǎn)生力學上的相互作用。如果說人類的行走是利用腿腳對地面產(chǎn)生摩擦力形成向前的力(對地面力的反作用力)，車輪是利用輪胎轉動時對地面的摩擦力使車輪向前走，那么類似生物蛇一類利用擺動前行的原理又是什么？而這種原理是如何在自然生物中實現(xiàn)的？這種擺動產(chǎn)生的向前(或向后)的力學原理是什么？它又有哪些優(yōu)越之處？這些都是人類渴望了解和渴望利用的領域。
[0003]現(xiàn)實中，制作類似生物蛇那樣較為密集肌肉控制單元是困難的。但利用現(xiàn)有的動作部件以成段相連，段(或蛇節(jié))相互能夠(水平方向)轉動就能大體逼近真實的蛇爬行動作；現(xiàn)有的電子單片機芯片可以使用較小的占用空間實現(xiàn)對這些段(或蛇節(jié))的轉動控制?，F(xiàn)有的電子控制芯片可以實現(xiàn)集中控制和分布控制兩種形式。以現(xiàn)有的做法，多數(shù)對模擬蛇段采取集中控制的方式；原因是編程用高級語言編制，處理器的處理速度(對數(shù)字信號處理DSP芯片而言)越來越快，同時性可以基本滿足模擬具有幾十蛇節(jié)的機械蛇要求。在模擬和控制方面，集中控制的最大益處是可以集中編程。但集中編程的弱點是硬件連線多(星形結構)和控制時間相互制約。從仿生學的角度，集中控制顯得繁瑣和不自然；而采用分布式控制具有自然的合理性:1.控制單元放在每個蛇節(jié)上，可以充分發(fā)揮蛇節(jié)自身的自主性，控制因素較為單一，動作的遲延可以自主控制，大大簡化了在以集中時間控制中的困難；2.蛇節(jié)與蛇節(jié)間的通訊變得簡單，每蛇節(jié)只有前后的兩個通訊方向，同時大大簡化了用于通訊的連線數(shù)量；3.可以制作硬件相對簡單，功能專一的獨立蛇節(jié)；在使用時方便增加和減少蛇節(jié)數(shù)量，從而組裝具有不同數(shù)量蛇節(jié)的機械蛇；同時也便于故障的診斷和部件的替換。
[0004]考慮以串行通信的分布控制，其最主要的優(yōu)點是時間遲延和擺動信號相位控制的靈活性放在每一個蛇節(jié)上，從而簡化程序和硬件實現(xiàn)的難度，在仿生方面更具有合理性和系統(tǒng)構建的靈活性；本專利機械蛇采用逐級串行通訊。在本專利中，每個蛇節(jié)上使用一個單片機芯片PIC16F84A，以匯編的形式編程，使程序簡潔、高效、快速；其中蛇節(jié)與蛇節(jié)間的通訊采用兩線無應答通訊；使通訊時間占用整個控制周期的時間比例大大減少。
【實用新型內(nèi)容】
[0005]一種擺動前行機械蛇提供一種由多節(jié)轉動連接的可向前行走的機械裝置。機械蛇由若干蛇節(jié)組成，每一蛇節(jié)由機架(圖1)、舵機、電池和控制電路(圖2，圖3)組成，蛇節(jié)的機架上由螺絲固定安裝滑動橡膠輪、舵機、電池夾和控制電路，蛇節(jié)的兩端分為機架端和舵機端，由舵機轉軸延長片固定于機架的一端為本蛇節(jié)的舵機端(圖1中螺絲14端的舵機一端)，機架的另一端為蛇節(jié)的機架端(圖1中合頁3部件的一端)，機械蛇由本蛇節(jié)機架端與下一蛇節(jié)的舵機端依次相互連接實現(xiàn)本機械蛇的整體結構，由舵機實現(xiàn)蛇節(jié)與蛇節(jié)之間的相互轉動；由本機械蛇一端的頭蛇節(jié)電路接收遙控器發(fā)來的4組有關擺動頻率，擺幅，方向和形態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后逐級向后續(xù)蛇節(jié)以兩線方式傳送，蛇節(jié)的控制電路實現(xiàn)對本蛇節(jié)舵機的轉動控制，由此實現(xiàn)本機械蛇的整體擺動；在擺動時，由于蛇節(jié)機架上的滑動輪與地面的接觸，從而實現(xiàn)本機械蛇向前行走的目的。本專利提出的一種擺動前行機械蛇采用串行分布式控制形式，為方便增減蛇節(jié)數(shù)量，每一蛇節(jié)具有相同的硬件結構，除頭蛇節(jié)的軟件與其它蛇節(jié)不同外，每一蛇節(jié)都具有信號接收、發(fā)送、處理和對本蛇節(jié)舵機控制的能力。
[0006]經(jīng)分析和對本機械蛇實現(xiàn)向前行走的實踐中發(fā)現(xiàn)生物蛇的向前行走是依靠蛇身擺動對地面(或草叢)產(chǎn)生特定方向的擠壓和蛇身形成的波動移動產(chǎn)生了向前的力(地面對蛇的反作用力；當產(chǎn)生向后的力，這時蛇產(chǎn)生的波形由蛇尾向蛇頭移動)，這個力的大小與蛇身對地面形成的曲線(類似正弦波)的斜率和蛇身對側面(相對前進方向)的擠壓力成正比，而這種擠壓力的大小又與(正弦)曲線向后(或向前)移動的速度和幅度成正比。因此，只要適當選擇由機械蛇所產(chǎn)生的“正弦”波曲線向后(或向前)的速度和適當選擇擺動的幅度，機械蛇就可以像生物蛇一樣向前(或向后)行走。機械蛇在空間形成的可以變化頻率和波長的“正弦”波曲線對分析蛇對地面的作用力效果依然十分明顯，因為使用較高頻率的“正弦”波曲線會產(chǎn)生對地面曲線斜率相對較大(在正弦波過O點，與前進方向的夾角越趨向90度)，這時在以較小的側向擠壓力就可以產(chǎn)生較大的向前(或向后，當波形從蛇尾向蛇頭運動時)的推力(地面對蛇身的反作用力)；由此可知使用適當變頻或變波長波形和波形移動速度有利于機械蛇向前行走時的啟動加速和推動力的功率匹配。
[0007]本發(fā)明為一種具有一定數(shù)量和長度對地面有滑動輪支撐的蛇身單元節(jié)(蛇節(jié))相互連接，中間使用轉動(由舵機驅(qū)動)達到擺動效果的類似蛇運動行為的機械蛇，由14節(jié)每節(jié)自帶控制芯片、舵機、電池經(jīng)過舵機轉動部件連接并由串聯(lián)式信號通訊實現(xiàn)的機械蛇。本發(fā)明中使用的蛇節(jié)具有統(tǒng)一的硬件電路板設計和機架結構。每個蛇節(jié)獨立使用一個PIC16F84A單片機控制芯片作為通訊和控制的主要器件；其中提供給控制芯片的晶體振蕩器頻率統(tǒng)一為4MHz ;電路板上的輸入和輸出端子具有特定的位置，分別有I至4通道輸入端子，5伏和7.4伏電源輸入端子，向下一蛇節(jié)發(fā)送信息的端子和對本蛇節(jié)舵機輸出控制的端子。本專利中舵機使用的型號為KM1203MD其轉動扭矩為2.5公斤厘米。每節(jié)蛇節(jié)載有兩節(jié)五號電池大小的鋰電池，標準輸出電壓為7.4伏，電量HOOmAh ;蛇節(jié)上的機架、舵機、電池和控制電路屬于同一個蛇節(jié)所有，即每一蛇節(jié)都能方便獨立使用，可以組成具有不同蛇節(jié)數(shù)量的整體機械蛇(數(shù)量的限制在于供電導線和開關過流承受能力)，在本專利中使用一個頭蛇節(jié)和13節(jié)身蛇節(jié)，共有14蛇節(jié)組成的機械蛇。
[0008]為了簡化蛇節(jié)與蛇節(jié)之間轉動連接，采用舵機轉軸延長片8與本蛇節(jié)機架4連接組成蛇節(jié)，每一蛇節(jié)的兩端分別稱為“舵機端”和“機架端”;機械蛇的整體由若干蛇節(jié)依次以本蛇節(jié)的機架端連接下一蛇節(jié)的舵機端實現(xiàn)；機械蛇的蛇節(jié)之間由舵機的轉動軸實現(xiàn)蛇節(jié)間的相互轉動。因此，此機械蛇用舵機的轉軸實現(xiàn)此機械蛇的第一個(水平)擺動自由度；蛇節(jié)機架端的合頁3可以上下轉動，這樣就形成了此機械蛇可以上下轉動的第二個(仰俯)自由度；這個自由度使蛇體柔軟，使相鄰蛇節(jié)機架上的滑動輪具有較好的對地面的接觸。
[0009]本機械蛇的每個蛇節(jié)具有相同的蛇節(jié)機架和滑動輪結構；頭部蛇節(jié)和尾部蛇節(jié)依照需要加裝向前和向后的延長片；頭部蛇節(jié)的延長片用于固定無線遙控接收器和天線；尾部的延長片用于安裝為提供控制電路和舵機的兩組電源的開關和電源穩(wěn)壓器件。這樣的設計有利于單獨加電測試不同的電路部分，從而實現(xiàn)可以快速診斷故障的能力。
[0010]本機械蛇采用兩組電池組供電，分別提供控制電路和舵機的電源，可以有效避免舵機過負荷對控制電路的影響；兩組供電總線上都采取了電源穩(wěn)壓和保護措施；在供給控制電路使用的電源總線中使用了穩(wěn)壓芯片7805，使此電源輸出保持在5伏TTL電平上；在供給舵機使用的電源總線中使用了整流二極管1N4004 (圖2電路中的元件D6和D7)，使得舵機得到鋰電池輸出電壓降壓(約為1.4伏)后的工作電壓(7.4-1.4 = 6伏，因為所用舵機的最大工作電壓為6伏)；所加入的降壓二極管還有利于保護當供電插頭極性接反時不至其導通從而保護舵機。同時為使邏輯電平能對舵機有效控制，采用了在邏輯電平控制線上加入肖特基二極管(圖2中的D5)做低電平鉗位的方法，使在舵機負載過重或?qū)е露鏅C供電端低電壓時控制電路上的電壓不受影響。在電池充電電路中，對于相互分離的兩組供電總線，采取將舵機供電總線上的電池正極連接低壓降的肖特基二極管(圖3中的Dl)的正極，而將此二極管的負極接到供給控制電路電池組的正極，使得在給供舵機供電電池充電時同時抬高了為供控制電路使用的鋰電池組兩端的電壓(接近7.4至8.2伏)，這一電壓將觸發(fā)鋰電池的保護電路，使其進入正常工作狀態(tài)(本專利所使用的鋰電池組全部具有過流保護電路，在安裝或更換電池后需要觸發(fā)其電池組才能工作)。
[0011]本機械蛇的蛇節(jié)機架和滑動輪(機架支撐輪)結構屬于機架結構設計，機架特點是具有一個可上下轉動的合頁3結構和使用2毫米直徑不銹鋼絲制成的轉動軸11的滑動輪架2，滑動橡膠輪I由4毫米厚，直徑1