摆动前行机械蛇制造技术

一种摆动前行机械蛇，提供一种由多节转动连接的可向前行走的机械装置，本机械蛇由若干蛇节组成，每一蛇节由机架、舵机、电池和控制电路组成，在蛇节的机架上安装舵机、滑动轮、电池架和电路，蛇节的两端分为机架端和舵机端，机械蛇由本蛇节机架端与下一蛇节的舵机端依次相互连接实现本机械蛇的整体结构，由舵机实现蛇节与蛇节之间的相互转动；由本机械蛇一端的头蛇节电路接收遥控器发来的4组有关摆动频率，摆幅，方向和形态数据，经处理后逐级向后续蛇节以两线方式传送，蛇节的电路实现对本蛇节舵机的转动控制，由此实现本机械蛇的整体摆动；在摆动时，由于蛇节机架上的滑动轮与地面的接触，从而实现本机械蛇向前行走的目的。

【技术实现步骤摘要】

本专利涉及一种由若干具有滑动轮支撑的蛇节相互转动连接，形成整体摆动效果的类似蛇运动行为的机械蛇，仿真生物蛇的行走，探索生物蛇的行走的物理原理，为提供制造由摆动产生推进动力机械的依据；因此，本专利机械蛇的研制目的是提供以陆基，水基及航空中所使用的推进器设计方案的一种选择。本专利本身可作为遥控玩具用于娱乐和教学。
技术介绍
生物蛇的行走方式是以爬行为主，而爬行分为多脚爬行和摆动爬行；对于生物蛇的爬行的机理一直以来并不明确，而生物蛇的摆动爬行在人类的认识过程中逐渐认识到是一种在自然界中自然形成并占有较大比例的一类动物的行走方式，特别是一些行走与水有关的动物，如蛇、鳝鱼、泥鳅、带鱼、甚至大部分的鱼类都具有以摆动前行的特征；而在微观物理世界中，以波动前行的事例将是处处可见，如光波、声波、水波；在日常生活中，可以看到被风刮起的旗子，舞蹈中的甩丝带，甩鞭子，和烟的上升轨迹，这些都具有类似蛇摆动时形成的曲线形状；这些摆动的形状它们不但是波动状的，而且还能和其周围的介质产生力学上的相互作用。如果说人类的行走是利用腿脚对地面产生摩擦力形成向前的力(对地面力的反作用力)，车轮是利用轮胎转动时对地面的摩擦力使车轮向前走，那么类似生物蛇一类利用摆动前行的原理又是什么？而这种原理是如何在自然生物中实现的？这种摆动产生的向前(或向后)的力学原理是什么？它又有哪些优越之处？这些都是人类渴望了解和渴望利用的领域。现实中，制作类似生物蛇那样较为密集肌肉控制单元是困难的。但利用现有的动作部件以成段相连，段(或蛇节)相互能够(水平方向)转动就能大体逼近真实的蛇爬行动作；现有的电子单片机芯片可以使用较小的占用空间实现对这些段(或蛇节)的转动控制。现有的电子控制芯片可以实现集中控制和分布控制两种形式。以现有的做法，多数对模拟蛇段采取集中控制的方式；原因是编程用高级语言编制，处理器的处理速度(对数字信号处理DSP芯片而言)越来越快，同时性可以基本满足模拟具有几十蛇节的机械蛇要求。在模拟和控制方面，集中控制的最大益处是可以集中编程。但集中编程的弱点是硬件连线多(星形结构)和控制时间相互制约。从仿生学的角度，集中控制显得繁琐和不自然；而采用分布式控制具有自然的合理性:1.控制单元放在每个蛇节上，可以充分发挥蛇节自身的自主性，控制因素较为单一，动作的迟延可以自主控制，大大简化了在以集中时间控制中的困难；2.蛇节与蛇节间的通讯变得简单，每蛇节只有前后的两个通讯方向，同时大大简化了用于通讯的连线数量；3.可以制作硬件相对简单，功能专一的独立蛇节；在使用时方便增加和减少蛇节数量，从而组装具有不同数量蛇节的机械蛇；同时也便于故障的诊断和部件的替换。考虑以串行通信的分布控制，其最主要的优点是时间迟延和摆动信号相位控制的灵活性放在每一个蛇节上，从而简化程序和硬件实现的难度，在仿生方面更具有合理性和系统构建的灵活性；本专利机械蛇采用逐级串行通讯。在本专利中，每个蛇节上使用一个单片机芯片PIC16F84A，以汇编的形式编程，使程序简洁、高效、快速；其中蛇节与蛇节间的通讯采用两线无应答通讯；使通讯时间占用整个控制周期的时间比例大大减少。
技术实现思路
一种摆动前行机械蛇提供一种由多节转动连接的可向前行走的机械装置。机械蛇由若干蛇节组成，每一蛇节由机架(图1)、舵机、电池和控制电路(图2，图3)组成，蛇节的机架上由螺丝固定安装滑动橡胶轮、舵机、电池夹和控制电路，蛇节的两端分为机架端和舵机端，由舵机转轴延长片固定于机架的一端为本蛇节的舵机端(图1中螺丝14端的舵机一端)，机架的另一端为蛇节的机架端(图1中合页3部件的一端)，机械蛇由本蛇节机架端与下一蛇节的舵机端依次相互连接实现本机械蛇的整体结构，由舵机实现蛇节与蛇节之间的相互转动；由本机械蛇一端的头蛇节电路接收遥控器发来的4组有关摆动频率，摆幅，方向和形态数据，经处理后逐级向后续蛇节以两线方式传送，蛇节的控制电路实现对本蛇节舵机的转动控制，由此实现本机械蛇的整体摆动；在摆动时，由于蛇节机架上的滑动轮与地面的接触，从而实现本机械蛇向前行走的目的。本专利提出的一种摆动前行机械蛇采用串行分布式控制形式，为方便增减蛇节数量，每一蛇节具有相同的硬件结构，除头蛇节的软件与其它蛇节不同外，每一蛇节都具有信号接收、发送、处理和对本蛇节舵机控制的能力。经分析和对本机械蛇实现向前行走的实践中发现生物蛇的向前行走是依靠蛇身摆动对地面(或草丛)产生特定方向的挤压和蛇身形成的波动移动产生了向前的力(地面对蛇的反作用力；当产生向后的力，这时蛇产生的波形由蛇尾向蛇头移动)，这个力的大小与蛇身对地面形成的曲线(类似正弦波)的斜率和蛇身对侧面(相对前进方向)的挤压力成正比，而这种挤压力的大小又与(正弦)曲线向后(或向前)移动的速度和幅度成正比。因此，只要适当选择由机械蛇所产生的“正弦”波曲线向后(或向前)的速度和适当选择摆动的幅度，机械蛇就可以像生物蛇一样向前(或向后)行走。机械蛇在空间形成的可以变化频率和波长的“正弦”波曲线对分析蛇对地面的作用力效果依然十分明显，因为使用较高频率的“正弦”波曲线会产生对地面曲线斜率相对较大(在正弦波过O点，与前进方向的夹角越趋向90度)，这时在以较小的侧向挤压力就可以产生较大的向前(或向后，当波形从蛇尾向蛇头运动时)的推力(地面对蛇身的反作用力)；由此可知使用适当变频或变波长波形和波形移动速度有利于机械蛇向前行走时的启动加速和推动力的功率匹配。本专利技术为一种具有一定数量和长度对地面有滑动轮支撑的蛇身单元节(蛇节)相互连接，中间使用转动(由舵机驱动)达到摆动效果的类似蛇运动行为的机械蛇，由14节每节自带控制芯片、舵机、电池经过舵机转动部件连接并由串联式信号通讯实现的机械蛇。本专利技术中使用的蛇节具有统一的硬件电路板设计和机架结构。每个蛇节独立使用一个PIC16F84A单片机控制芯片作为通讯和控制的主要器件；其中提供给控制芯片的晶体振荡器频率统一为4MHz ;电路板上的输入和输出端子具有特定的位置，分别有I至4通道输入端子，5伏和7.4伏电源输入端子，向下一蛇节发送信息的端子和对本蛇节舵机输出控制的端子。本专利中舵机使用的型号为KM1203MD其转动扭矩为2.5公斤厘米。每节蛇节载有两节五号电池大小的锂电池，标准输出电压为7.4伏，电量HOOmAh ;蛇节上的机架、舵机、电池和控制电路属于同一个蛇节所有，即每一蛇节都能方便独立使用，可以组成具有不同蛇节数量的整体机械蛇(数量的限制在于供电导线和开关过流承受能力)，在本专利中使用一个头蛇节和13节身蛇节，共有14蛇节组成的机械蛇。为了简化蛇节与蛇节之间转动连接，采用舵机转轴延长片8与本蛇节机架4连接组成蛇节，每一蛇节的两端分别称为“舵机端”和“机架端”;机械蛇的整体由若干蛇节依次以本蛇节的机架端连接下一蛇节的舵机端实现；机械蛇的蛇节之间由舵机的转动轴实现蛇节间的相互转动。因此，此机械蛇用舵机的转轴实现此机械蛇的第一个(水平)摆动自由度；蛇节机架端的合页3可以上下转动，这样就形成了此机械蛇可以上下转动的第二个(仰俯)自由度；这个自由度使蛇体柔软，使相邻蛇节机架上的滑动轮具有较好的对地面的接触。本机械蛇的每个蛇节具有相同的蛇节机架和滑动轮结构；头部蛇节和尾部蛇本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种摆动前行机械蛇，其特征是：机械蛇由若干蛇节组成，每一蛇节由机架、舵机、电池和控制电路组成，蛇节的机架上由螺丝固定安装滑动橡胶轮、舵机、电池夹和控制电路，蛇节的两端分为机架端和舵机端，由舵机转轴延长片固定于机架的一端为本蛇节的舵机端，机架的另一端为蛇节的机架端，机械蛇由蛇节机架端与下一蛇节的舵机端依次相互连接实现本机械蛇的整体结构，由舵机实现蛇节与蛇节之间的相互转动。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：饶钢，饶克宇，郑颖，
申请(专利权)人：饶钢，饶克宇，郑颖，
类型：新型
国别省市：北京;11