Development of a Snake Robot with Flexible Connectors and its Optimal Velocity Planning

本研究發展一套以彈性體為連結之機器蛇，並在路徑、機構與動力限制下發展一套最佳化速度規劃模式。整條機器蛇包含五個模組，模組間以彈性體為連結，每個模組均由兩顆步進馬達所驅動，並由模組上之微控制器以差速方式控制其方向與速度。以彈性體連結可使機器蛇的行動蜿蜒柔軟，更為逼真似蛇。綜合考量徑向伸縮及側向彎曲時之彈性恢復力及力矩對機器蛇行進時所造成之影響，在路徑、機構與動力限制下本研究提出最佳速度規劃方法，可使機器蛇在無失步、無滑動的情形下，於最短時間內循規劃之路徑抵達目的地。In this research, a snake-like robot with flexible connectors is developed, and an optimal velocity planning approach is investigated under the constraints of path, kinematics and dynamics of the robot. The snake-like robot includes five modules which are connected by flexible connectors; each module is driven by two stepping motors and is controlled in differential way for its direction and speed by micro-controllers. Flexible connection makes the motion of the robot smoother and more snake-like. However, the elastic restoring force and torque due to longitudinal extension (or compression) and lateral bending of springs may affect the behavior of the snake-like robot during moving. The snake-like robot will be out of control unless proper planning. The snake-like robot is capable of following the planned path and arriving at the destination in minimum time without sliding or losing steps, if the optimal velocity planned by the study is applied.摘要 i Abstract ii 目錄 iii 表目錄 vi 圖目錄 vii 符號說明 xii 第一章 前言 1 第二章 文獻探討 4 2.1 蛇的身體構造與運動模式 4 2.1.1 側向波動式 (Lateral undulation) 4 2.1.2 手風琴式 (Concertina) 6 2.1.3 側向捲曲式 (Side-winding) 6 2.1.4 直線式 (Rectilinear) 8 2.1.5 滑動推進式 (Slide-pushing) 8 2.2 機器蛇的機構設計 9 2.2.1 ACM 系列 10 2.2.2 蒼龍Souryu I, II 16 2.2.3 GMD系列 18 2.2.4 MAKRO 20 2.2.5 Mechanical Snake 22 2.2.6 Snakebot 24 2.2.7 Shape Shifter 25 2.3 大撓度彎曲之分析 27 2.3.1 Euler-Bernoulli Beam之應用 28 第三章 材料及方法 32 3.1 機器蛇的機構設計與製作 32 3.1.1零件材料選擇 34 3.1.1.1 外殼與輪子之材質 35 3.1.1.2 齒輪組 35 3.1.1.3 步進馬達 36 3.1.1.4 橡膠輪胎 43 3.1.2 控制電路設計與製作 43 3.2 單體受力分析 45 3.2.1 以NURBS曲線模擬彈簧外形 47 3.2.2 相鄰兩單體受力與力矩分析 52 3.2.2.1側向受力 52 3.2.2.2 徑向受力及力矩 55 3.2.2.3 特殊情形分析 60 3.3 機器蛇最佳速度之規劃 63 3.3.1 輪子角速度與規劃路徑之關係 64 3.3.2 最佳速度之規劃 65 3.3.3 加減速階段 70 第四章 結果與討論 74 4.1 模型驗證 74 4.1.1 直線模式 74 4.1.1.1 無滑動及無失步之情形 76 4.1.1.2 無失步但有滑動之情形 79 4.1.1.3 有失步但無滑動之情形 81 4.1.1.4 三種直線模式之比較 83 4.1.2 曲線模式 86 4.1.2.1 彈簧無伸縮，最高行進速度與迴轉半徑的關係 87 4.1.2.2 彈簧伸縮對最高行進速度的影響 95 4.2 單體測試 98 4.2.1 單體速度測試 99 4.2.2 基本運動模式測試 102 4.3 機器蛇運動模式測試 103 第五章 結論與建議 107 參考文獻 109 附錄一 11