自二由度蛇形机器人单元设计_学位论文
蛇形机器人论文
上海电力学院本科毕业设计（论文）题目：仿生机器蛇的设计与仿真院系：电力与自动化工程学院专业年级：测控技术与仪器学生姓名：学号：指导教师：【摘要】在仿生机械学中，模仿生物蛇而衍生的机器蛇将逐渐具备灵活的变形特征。
具有多于确定机器人空间位置和姿态所需的自由度，使得它可摹仿生物蛇的运动状态，在许多的领域具有广泛的应用前景。
本文提出了一种类似正弦波形的7关节三动杆蛇形机器人结构，并对该机器人的步态进行了分析，对其前进的方式进行了数学建模设计，最后使用软件ADAMS2007进行运动的计算机建模和模拟仿真，通过仿真，验证了模型的步态过程与端点的轨迹曲线。
为该蛇形机器人在具体设计制造前提供了理论和仿真。
关键词：蛇形机器人；运动模拟；ADAMS建模仿真【Abstract】In simulation mechanics, snake-machine which derives from simulating biological snakes becomes more and more flexible. Snake-machine is a highly redundant robot which has more freedoms which is needed in space location and gestures than definite robot, thus it can simulate the movement of snake and has a better prospect: for example it can execute investigation missions、mine sweeping and searching. The variation of movement makes it has a better ability of adaption, every joint derived separately, it has a strong load capacity and easy maintenance. This article provides a structure of sinusoidal seven joints snake-machine, and gives a conclusion by using the software ADAMS2007 to execute the modeling of motion and simulation. This snake-machine gives theory and simulation before specific design and manufacturing.Key Words:Snake-like robot；Motion simulation；ADAMS Modeling and Simulation目录1 绪论.......................................................... - 1 -1.1课题研究的背景及意义 (1)1.2仿生机器蛇的研究现状及发展 (1)1.2.1 国外研究现状......................................... - 1 -1.2.2 国内研究现状......................................... - 5 -1.3蛇的运动方式. (6)1.4本文的研究内容 (7)2 仿生机器蛇的运动分析及步态研究................................ - 9 -2.1引言 (9)2.2仿生机器蛇运动模型 (9)2.2.1 仿生机器蛇的侧向运动模型.............................. - 9 -2.2.2 仿生机器蛇的蠕动运动模型............................. - 10 -2.3仿生机器蛇的步态研究. (11)2.3.1 仿生机器蛇的模型结构设计............................. - 11 -2.3.2 仿生机器蛇的步态研究................................. - 11 -2.3.2 仿生机器蛇的步态与位移分析........................... - 12 -2.3.3 仿生机器蛇各连杆间的相对角位移....................... - 14 -2.3.4 仿生机器蛇设计....................................... - 14 -2.4本章小结. (16)3 仿生机器蛇的ADAMS仿真....................................... - 17 -3.1ADAMS软件介绍 (17)3.2仿生机器蛇的ADAMS仿真流程 (18)3.3仿生机器蛇的ADAMS仿真模型参数 (19)3.4仿生机器蛇的ADAMS仿真结果分析与验证 (21)3.5本章小结 (27)4 总结......................................................... - 28 -4.1结论 (28)4.2展望 (28)致谢........................................................... - 29 -参考文献....................................................... - 30 -附录........................................................... - 31 -附录1：ADAMS中的STEP和IF函数及方形波函数 (31)附录2：ADAMS中的约束关系 (33)附录3：万向节 (34)1 绪论1.1 课题研究的背景及意义蛇的生存环境是非常多样化的：森林、沙漠、山地、石堆、草丛、沼泽甚至湖泊。
毕业设计-二自由度机器人的结构设计与仿真
二自由度机器人的结构设计与仿真学院：专业：姓名：指导老师：机械与车辆学院机械电子工程学号：职称：教授中国·XX二○一二年五月毕业设计诚信承诺书本人郑重承诺：本人承诺呈交的毕业设计《二自由度机器人的结构设计与仿真》是在指导教师的指导下，独立开展研究取得的成果，文中引用他人的观点和材料，均在文后按顺序列出其参考文献，设计使用的数据真实可靠。
本人签名：日期：年月日二自由度机器人的结构设计与仿真摘要并联机器人有着串联机器人所不具有的优点，在应用上与串联机器人形成互补关系。
二自由度并联机器人是并联机器人家族中的重要组成部分，由于结构简单、控制方便和造价低等特点，有着重要的应用前景和开发价值。
本论文研究了一种新型二自由度平移运动并联机构，该并联机构采用类五杆机构，平行四边形刚架结构来实现，可有效地消除铰链间隙，提高动平台的工作性能，同时有抵抗切削颠覆力矩的能力。
根据该二自由度平面机构的工作空间，利用平面几何的方法求得连杆的长度，并通过Pro/E软件进行仿真检验，并通过软件仿真的方式，优化连杆长度，排除奇异点，同时合理设计机械结构的尺寸，完成结构设计。
对该二自由度并联机器人，以Pro/E为平台，建立两自由度平移运动并联机器人运动仿真模型，验证了机构的实际工作空间和运动情况。
最后指出了本机构的在实际中的应用。
并使用AutoCAD软件进行了重要装置和关键零件的工程图绘制工作，利用ANSYS 软件分析了核心零件的力学性能。
研究结果表明，本文所设计的二自由度机器人性能良好、工作灵活，很好地满足了设计指标要求，并已具备了一定的实用性。
关键词：二自由度；并联机器人；仿真；结构设计；Pro/E2-DOF robot structure design and simulationAbstractParallel robot has a series of advantages of the robot does not have to form a complementary relationship between the application and the series robot. The 2-DOF parallel robot is an important part of the family of parallel robots. The structure is simple, convenient and cost control and low, with significant potential applications and the development value. In this thesis, a new 2- DOF translational motion parallel mechanism, the analogous mechanism for class five institutions, parallelogram frame structure, which can effectively eliminate the hinge gap and improve the performance of the moving platform, while resistance to cutting subvert the torque capacity.The working space of the 2-DOF planar mechanism, the use of plane geometry to obtain the length of the connecting rod, and the Pro/E software simulation test, and software simulation to optimize the connecting rod length, excluding the singular point, while the size of the rational design of mechanical structure, complete the structural design. And important equipment and key parts of the engineering drawings using AutoCAD software, using ANSYS software to analyze the mechanical properties of the core parts.The 2-DOF parallel robot to the Pro/E platform, the establishment of the 2-DOF of translational motion parallel robot simulation model to verify the organization's actual work space and movement. Finally, this institution in the practical application. The results show that the combination of good motor performance of the 2-DOF parallel robot，good to meet the index requirements, and already have a certain amount of practicality.Keywords: 2-DOF; parallel robot; simulation; structural design; Pro/E目录1前言 (1)1.1本课题的研究背景及意义 (1)1.1.1什么是机器人 (1)1.1.2机器人技术的研究意义 (1)1.2机器人的历史与发展现状 (2)1.2.1机器人的发展历程 (2)1.2.2机器人的主要研究工作 (3)1.2.3少自由度机器人的发展历程 (4)1.3本课题的研究内容 (5)2二自由度机器人系统方案设计 (7)2.1二自由度并联机器人机构简介 (7)2.2执行机构方案设计及分析 (7)3二自由度机器人的结构设计与运动分析 (8)3.1已知设计条件及参数 (8)3.1.1连杆机构自由度计算 (8)3.1.2五杆所能达到的位置计算 (8)3.2对机构主体部分的运动学逆解分析 (10)3.2.1位置分析 (10)3.2.2速度与加速的分析 (11)3.3受力分析 (12)4基于Pro/E软件环境下二自由度机器人的结构设计 (16)4.1 Pro/E软件简介 (16)4.2驱动元器件的选择 (17)4.2.1步进电机的选择 (17)4.2.2联轴器选择 (18)4.3平面连杆机构的结构参数确定 (19)4.4输入轴的设计 (20)4.5安装支架的参数确定 (21)5基于Pro/E软件环境下的机器人装配及动态仿真 (23)5.1虚拟装配过程 (23)5.1.1连杆机构的装配 (23)5.1.2安装支架的装配 (24)5.1.3完成二自由度机器人的最终装配 (24)5.2基于Pro/E软件环境下的动态仿真 (25)6基于AutoCAD软件环境下的机械结构设计 (31)6.1AutoCAD软件简介 (31)6.2平面连杆机构的结构设计 (32)6.3机架的结构部件图绘制 (33)6.4二自由度机器人工程图绘制 (34)7基于Ansys软件环境下的有限元分析 (36)7.1Ansys软件简介 (36)7.2对输入轴的有限元分析 (37)7.3对输入连杆的有限元分析 (37)8 总结与展望 (40)8.1课题研究工作总结 (40)8.2研究展望 (41)参考文献 (42)致谢 (44)附录（一） (45)附录（二） (52)1前言机器人技术是一门光机电高度综合、交叉的学科，它涉及机械、电气、力学、控制、通信等诸多方面。
轻型蛇形机器人系统设计及分段运动规划策略
2023-11-07CATALOGUE目录•引言•轻型蛇形机器人系统设计•分段运动规划策略•实验与分析•结论与展望•参考文献01引言背景随着科技的发展，机器人技术在军事、救援、工业等领域的应用越来越广泛，而蛇形机器人作为机器人技术的前沿领域，具有很大的研究价值和发展潜力。
意义轻型蛇形机器人作为一种灵活、适应性强、可实现复杂运动的机器人，在复杂环境下的应用具有不可替代的作用，对于推动机器人技术的发展具有重要的意义。
研究背景与意义现状目前，国内外对于蛇形机器人的研究已经取得了一定的成果，一些蛇形机器人已经实现了自主运动和复杂环境的适应，但还存在一些问题，如机器人的运动速度和稳定性不足，运动规划和控制方法不够完善等。
发展未来的蛇形机器人将向着更轻便、更灵活、更智能的方向发展，同时，随着人工智能和机器学习技术的发展，蛇形机器人的智能化程度也将得到进一步提高。
研究现状与发展•目的：本课题旨在设计一种轻型蛇形机器人系统，实现机器人在复杂环境下的灵活运动和适应，同时研究分段运动规划策略，提高机器人的运动速度和稳定性，为进一步推动蛇形机器人的应用和发展提供技术支持。
研究目的与任务研究目的与任务任务1. 设计轻型蛇形机器人系统，包括机械结构、控制系统、感知系统等部分；2. 研究分段运动规划策略，根据环境变化和任务需求，实现机器人的自适应运动规划；研究目的与任务3. 实现机器人的自主运动和环境适应，包括地形跟随、障碍物避让等功能；4. 通过实验验证机器人的性能和分段运动规划策略的有效性。
02轻型蛇形机器人系统设计机器人系统概述机器人系统组成轻型蛇形机器人系统由机械结构、控制系统、传感器系统和分段运动规划策略等组成。
机器人工作原理通过控制系统驱动机械结构实现弯曲和伸展，传感器系统实时监测机器人姿态和位置，分段运动规划策略控制机器人实现复杂环境下的运动。
采用高弹性、轻质、耐腐蚀的柔性材料制作蛇形机器人的身体，实现灵活的弯曲和伸展。
机械蛇论文——精选推荐
机械蛇的世界关键词：机械蛇研究现状成果这个学期我选了机械创新设计的课程，这门课主要研究的是机械蛇，以前从来没有看到过机械蛇，第一次见到他们真的很惊讶很好奇，就那么几个部件连接起来就可以执行很多动作，完全被他的奥妙所吸引。
我们接下来与机械蛇的接触让我学到很多东西。
也让我初步认识了机械人领域的一些东西。
首先我们先了解机械蛇，即蛇形机器人的研究现状，机器人的移动方式主要有轮、腿、履带和无肢运动等。
蛇形机器人的运动方式是典型的无肢运动。
它主要是由舵机和单片机组成，我们可以拆开看它的内部结构和舵机的运行情况，和单片机的结构电路图，这些都让我们对机械蛇有了初步的了解，认识到了这个神奇的小家伙。
其次我们还知道了机械蛇的控制系统，无限发射器和接收器，每个无限发射和接受设备都是彼此相对应，这样就像对讲机一样每个都是对应自己的频率，这样才不会有彼此干扰的现象。
再者我们还学习到了，机械蛇的控制软件，他的编程、调试、下载、运行等，它与电脑软件的连接控制等很多知识。
编程可以说是对我们最难的一步，我们从没有运用过C语言等编程语言来真正的编制一个运行程序，这个里面有很多的知识我们已经忘记了，但是这次的实验让我们温习了一下编程语言的知识，也让我们学会了怎么应用已经学到的知识，但是总体来说我们做的还是很不够，以后要多多应用这些知识到实际。
最后让我最有感触的最多的就是机械蛇的应用。
机器蛇主要在恶劣的环境中执行人或其它机械无法或不能够顺利完成的工作。
在错综复杂的废墟中搜索和营救，在崎岖的狭道中穿行，极易使其受损或受伤，其中驱动器失效最为普遍。
再者在室外工作时(比如野外探险，外星球勘察，废墟营救等)，机器蛇由较少的驱动器来驱动可以大大减少机器蛇的重量，降低能量消耗，在固定能耗下延长工作时间，还可以减小体积，提高其运动灵活性，扩大其相对活动空间。
机械蛇的前景很好，一定会有很多用途。
通过这门机械创新设计课程让我真正的认识了机械蛇，也让我了解了这个领域的现状，国外在蛇形机器人方面进行了大量的研究工作。
蛇形机器人的机构设计及运动分析
机
电
工
程
Vol. 29 No.5 May 2012
蛇形机器人的机构设计及运动分析
（中国船舶重工集团公司 第七一三研究所，河南 郑州 450015）
摘要：蛇形机器人以其独特的身体结构和运动形式能够适应各种复杂环境。为了验证蛇形机器人的运动能力， 设计了一种前进中 可做周期性运动的蛇形机器人， 重点讨论了其关节机构的设计和运动原理； 通过建立蛇形机器人运动的数学模型， 并结合其运动的 周期性， 详细分析了三连杆模型的运动步态特性。研究结果表明， 三连杆运动步态提高了蛇形机器人的运动能力。 关键词：蛇形机器人； 周期性运动； 关节设计； 三连杆； 运动步态 中图分类号：TH122； TH112； TP242 文献标志码： A 文章编号： 1001-4551 （2012） 05-0512-04
不同的运动方式， 本研究设计的模块单元的连接方式 如图 3 所示， 是主动驱动的连接方式， 电机固定在电机
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机
电
工
程
第 29 卷
蛇形机器人三连杆组合的运动步态和多连杆组合的运 动步态 2.1
［6-12］
2.2
。
把机器人简化为 6 段固定长度的连杆系统。假设蛇形 角度范围是±60°。由蛇尾向蛇头方向运动， 三连杆的 程， 运动波的传递过程如图 4 所示。
ZHANG Ling-ling， QU Ze-chao
பைடு நூலகம்
0
引
言
本研究所述的蛇形机器人。该蛇形机器人可以在复杂 环境中起伏前进， 并能够实现侧移、 翻转、 平面蜿蜒等 多种运动形式。通过对蛇形机器人模型的运动分析， 笔者研究出了一种蛇形机器人的运动方式， 并在其实 体上得到了有效的验证。
一种新型蛇形机器人的机构研究与设计
一种新型蛇形机器人的机构研究与设计摘要：蛇形机器人是一种新型的机器人，它的机构结构具有良好的灵活性和适应性，可以用于各种环境下的探测、搜救、拍摄等任务。
本文通过分析蛇形机器人的机构结构、运动原理以及控制方法，对其进行详细研究和设计，并进行了仿真验证和实验验证。
结果表明，所设计的蛇形机器人机构具有较高的运动精度和稳定性，可以在各种复杂环境下有效地完成任务。
关键词：蛇形机器人、机构结构、运动原理、控制方法、仿真验证、实验验证1.引言蛇形机器人是一种仿生机器人，它的外形和运动特点都来源于蛇类动物。
蛇形机器人的机构结构类似于蛇体，可以实现蛇般的爬行、盘踞、攀爬等运动，具有很强的适应性和灵活性，可以用于各种环境下的探测、搜救、拍摄等任务。
蛇形机器人的机构设计是实现其运动特点的基础，因此本文分别从机构结构、运动原理、控制方法等方面进行研究和设计。
2.蛇形机器人的机构结构蛇形机器人的机构结构是其实现运动的基础，一般由三部分组成：蛇头、蛇身和蛇尾。
其中蛇头负责控制运动方向，蛇身由多个连续的节段组成，每个节段可以自由弯曲，蛇尾负责平衡和保持身体稳定。
蛇形机器人的机构结构主要涉及两个方面，一个是机构设计，另一个是材料选择。
机构设计包括蛇体的长度、直径、关节间距、关节的自由度、驱动方式等；材料选择主要包括各种材料的力学性能、刚度、强度、重量等特性。
在机构设计中，要注意蛇体的灵活性和韧性，以保证其在复杂环境中的适应性和稳定性；在材料选择中，则要根据实际应用的需要进行选择，比如在高温、腐蚀等极端环境中要选择具有耐高温、耐腐蚀性能的材料。
3.蛇形机器人的运动原理蛇形机器人运动的机理来源于蛇类动物的生物学特性，主要包括以下几个方面。
（1）鳞片滑跳：蛇类动物的身体表面被覆盖着很多光滑的鳞片，在运动时可以充当滑行的媒介。
这种滑行方式可以使蛇形机器人在各种环境下灵活运动，如在水中游动、在陡峭的斜面上攀爬等。
（2）节段结构：蛇类动物的身体由多个节段构成，每个节段可以自由弯曲，因此蛇形机器人可以实现蛇般的摆动和弯曲。
我的毕业设计--蛇形机器人(图片、视频)
我的毕业设计-------蛇形机器人（图片、视频）
我的毕业设计是自己定的课题，很早就有想法设计一种运动能力比较强的机器人，最终选择了蛇形机器人。
整个设计制作花了一个多月的时间，设计用途主要是想用于搜救、侦察、探测等，但现阶段还只是一个模型，有很多地方不足，不可能完成这些任务。
存在的问题主要有：
1.航模改装的舵机扭矩不够，希望大家能推荐一款性价比高的机器人舵机，查到春天的一款SR-402P的价格比较便宜，大家有没有用过，效果怎么样？
2.自主控制难以实现，采用遥控方式进行控制，采用的游戏手柄改的遥控器，但问题是只在头部安装了无线摄像头，不在人的视线范围内，就不能看到周围的地形情况，就不能很好控制其运动，多加几个无线摄像头感觉又不现实，查阅了很多资料，各国的蛇形机器人都只使用了一个摄像头，不知他们怎么解决的这一问题？另使用的无线摄像头传输距离只有几米，不知是什么原因。
在此发帖想请教一下大家，希望能提宝贵意见。
视频中的导线是电源线，实际工作是无线的。
用CATIA画的三维设计图，画得不好，见笑
航模舵机改装的机器人舵机，增加了一根支撑轴，加了小轴承
三自由度关节
遥控用的无线数据收发模块
游戏手柄改装的遥控器，没有用里面的电路，自己用单片机做的
背面的平衡充接口
要两个人配合遥控的
16路舵机控制板，拆了一些元件减轻重量，改了部分电路
直流电机控制芯片L298N
5V电源转换电路，LM2596-5.0，电流3A
控制部分整合在一起
无线摄像头，距离不够远
用旧电容改成外壳的LED灯。
蛇形机器人研究
1.蛇形机器人研究背景仿生学的范围很广，譬如雷达是对蝙蝠超声测距能力的模仿，而机翼使用的防震措施则借鉴了蜻蜓翅膀的结构。
仿生机器人运动学是仿生学的一个很重要的发展。
人类在智慧上超出动物很多，但在特定环境的适应上就要比动物差很多。
虽然人发明了很多的技术弥补了这一不足，但明显可以看到，舰船的灵活性比不上鱼类，飞机的灵活性比不上鸟类甚至昆虫，车辆的地形适应性比不上四条腿的动物。
仿生运动的研究可以弥补我们这方面的不足，对社会产生大的经济效益。
蛇形机器人的研究可以满足一些行业的需求。
蛇形机器人由于其天生的多关节、多自由度，多冗余自由度，可以有多种运动模式，可以满足在复杂环境中搜救、侦查、排除爆炸物等反恐任务；航空航天领域可用其作为行星表面探测器，轨道卫星的柔性手臂；工业上则可应用于多冗余度柔性机械手臂，管道机器人等方面。
2.国内外研究情况分析1）目前国内外对蛇形机器人研究综述近几年来，特别是2000年以来，蛇形仿生机器人正在成为全世界新的研究热点。
其理由有二：首先，仿生机器人学正在机器人领域占有越来越重要的位置，而由于其自身的典型性，蛇形机器人是仿生领域的热点研究方向；其次，运动机理特殊的蛇形机器人有广阔的应用情景，例如战场上的扫雷，爆破，空间站的柔性机械手臂，通过能力很强的行星地表探测器等；且其模块化结构和高冗余度非常适应于条件非常恶劣而又要求高可靠性的战场、外层空间等环境。
国内也已经有单位开展这方面的研究，例如国防科大与中科院沈阳自动化所。
2）国内外研究概况a) 美国宇航局(NASA)的SnakeBotNASA于1999年开始研究多关节的蛇形机器人，计划在其太空计划中用于行星地表探测以及空间站维护工作。
其第一代蛇形机器人如图所示。
它采用相邻正交的串联机构，由中央计算机集中控制。
该机器人能完成蠕动前进，游动前进，翻越简单障碍物等功能。
该蛇形机器人结构简单合理，对目前的蛇形机器人结构产生了很大的影响。
b) 德国Gavin.H S1-S5德国人Gavin.H从约1997年开始从事蛇形机器人的研究工作，到目前为止共设计并制作了S1,S2,S3,S4,S5五代蛇形机器人，图3为S5。
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摘要本文研究的主要内容是二自由度蛇形机器人单元设计。
其主要目标是利用蛇（它的形态和姿势）做原形来研究具有与蛇的功能相似的蛇形机器人。
其主要功能要求：能利用单元之间的摆动是身体与环境之间的摩擦力能在凹凸不平/粗糙的面蜿蜒前进，也能在光滑的表面上滑行前进；能利用关节之间的相对运动实现身体的抬起从而可以跨过小沟、裂缝和障碍物等。
蛇形机器人单元之间的摆动和抬起运动本文采用耦合驱动的方式来实现。
扭转运动是蛇形机器人的有效运动方式，利用该步伐蛇形机器人可以跨越障碍。
在此基础上对蛇形机器人的扭转运动进行了扩展，使蛇形机器人不但能够完成平面的扭转运动，而且可以将扭转运动与其它的运动形式结合起来，完成复合运动。
当然这种复合运动不仅仅局限在二维复合运动，还包括比较复杂的三维运动，而且本文提出的简化输入方法有利于蛇形机器人在扭转运动过程中有效适应地形。
关键词：蛇形机器人；机构设计；耦合驱动；运动分析；AbstractThis paper deals with the two degrees of freedom module of snake-like robot. Utilizing the snake (its forms and motion) as a model to develop a snake-like robot. The snake-like robot perform the following functions: It can propel itself over uneven/rough ground and swim in a fluid by using its slender body；It can move across branches or crevasses, because it can tighten its body to make a linematically stable posture by using its long body and highly redundant actuators.In order to apply snake-like robots to the unstructured environment, the researchers have designed many gaits for increasing the adaptability to a variety of surroundings. The twist-related locomotion is an effective gait achieved by jointly driving the pitching-DOF and yawing-DOF, with which the snake-like robot can move on rough ground and even climb up some obstacles. The twist-related locomotion function is firstly solved, and simplified to be expressed by sine orcosine function. The 2D locomotion such as V-shape and U-shape is achieved. Alsoby applying it to the serpentine locomotion or other types of locomotion, thesnake-like robot can complete composite locomotion that combines the serpentinelocomotion or others withtwist-related locomotion. We extend the twist-related locomotion to 3D space. The experimental results are presented to validate all above analyses.Keywords: snake-like robot;mechanism design;coupled drive;analysis of creeping locotion第1章绪论1.1引言大自然不仅仅赋予人类生命和丰富的自然资源，而且其丰富的生命形态给予了人类无穷无尽的启迪，让人们充分地利用自然和改造自然。
这些启迪加上人类的聪明才智使科学技术不断进步，推动人类社会发展。
从小鸟的展翅飞翔，到形状各异的风筝，还有后来更为先进的飞机。
从蝙蝠的夜间疾飞到当今军事和民航上至关重要的雷达系统，都充分体现了研究生物系统对科学技术发展的重大贡献。
模仿和探索大自然中生物的运动和功能，理解和获取有利的运动和控制原理，促使了仿生学的出现和发展。
仿生学是20世纪60年代出现的一门综合性边缘学科，它由生命科学和工程技术科学相互渗透、相互结合而成。
可以说仿生学的研究对科学技术和社会的发展起着举足轻重的作用。
仿生系统以其能体现和再现生命特征成为现代研究的重点课题。
生命系统的自主运动和适应能力的物理实现不仅能够把人从繁重、危险、单调乏味的工作环境中解脱出来，而且能够代替人在危险场合完成复杂作业。
仿生学将生命原理应用到工程系统的研究和设计中，尤其对当今日益发展的机器人学科起到了巨大的推动作用，促进了仿生机器人领域的蓬勃发展。
在绝大多数人眼中，蛇是一种可怕的动物，甚至有很多人不愿意提及或看到这种动物。
从圣经上的关于蛇的描写到中国寓言中农夫和蛇的故事，无不反蛇形机器人的机构设计和运动护制映出蛇阴险和可怕的一面。
当然它本身与众不同的移动方式，也使人们产生恐慌和害怕，从而避而远之。
其实蛇是非常有益于人类的动物，它可以消火老鼠等害虫，而且对于整个生态平衡起着至关重要的作用。
当然本文并不是研究生物蛇和人类的关系，而是根据蛇的生理结构和运动特点，设计和研究蛇形机器人的结构和运动，是从仿生学的角度出发研制有利于人类社会的机器人。
当代机器人的研究领域己经从结构环境下的定点作业向非结构环境下的自主作业发展。
机器人被急切需要应用到环境复杂、高度危险和人类无法进入的场合完成作业。
除了传统的车型设计方法外，机器人学者把目光转向了生物界，力求从具有各种运动特征的动植物上获得启发，设计新的仿生机器人。
蛇形机器人就是在这种条件下孕育而生的。
蛇的各种独特的运动特性赋予蛇形机器人以多种功能。
蛇形机器人不但能够适应各种复杂地形，能够平均分配自己的体重，还具有自封闭的结构等特点使其吸引了国内外众多机器人学研究人员展开了对蛇形机器人的研究。
本文的研究是在前人研究成果基础上对蛇形机器人的机构和运动控制作进一步研究。
1.2蛇形机器人的国内外研究状况蛇形机器人的研究开创了仿生机器人研究的新领域，同时由于蛇形机器人的广泛应用前景，世界上各个国家的机器人爱好者纷纷开始了蛇形机器人的研究。
关于蛇形机器人的研究，美国和日本走在前列，此外加拿大、英国、瑞典、澳大利亚等国也都在开展这方面的技术研究。
（图1.1 第一代蛇形机器人SolidSnake）从仿生学的角度，第一代蛇形机器人结合机器人动力学和摩擦学等的相关理论，建立的蛇的行波运动学模型，并研制的机器蛇样机—— SolidSnake，并利用SolidSnake实现了蛇的蠕动、游动、侧移、侧滚、抬头、翻越障碍物等运动形式。
SolidSnake 利用垂直和水平方向正交的关节来拟和蛇类生物柔软的身体，每两个正交的关节组成一个单元体，每个单元体相当于一个万向节，具有两个方向的自由度，整体形成一个高冗余度的结构体。
这样的机构设计使蛇体具有向任何方向弯曲的能力。
第二代蛇形机器人SolidSnake II （2004)（图1.2第二代蛇形机器人SolidSnake II）SolidSnake II 蛇形机器人充分考虑了蛇类生物的运动特点，从仿生学的角度，结合机器人动力学和摩擦学等的相关理论，建立了基于行为控制理论的蛇类运动学模型，把蛇类生物的复杂运动形式化解为局部的、简单的运动形式。
采用模块化设计思路，每个关节均可很容易进行拆卸。
机器蛇的8 个关节整体形成一个高冗余度的结构体，很容易模仿实现蛇体的复杂运动形式。
为了减少机器蛇的运动中的摩擦阻力，在机器蛇两侧安装有从动轮，实现了蛇体的平稳游动，增强了蛇形机器人的灵活性和机动性。
采用轻型耐磨塑料制造蛇形机器人的主要结构，既减轻了蛇体的重量，又降低了加工的成本。
SolidSnake II 蛇形机器人设有多项预留位置，如配备局部控制器、位置及力矩侍服器、从动轮锁死装置等配套装置，可实现机器蛇环境识别和自主运动。
在机器蛇的头部配置有红外线探测头，可反馈对环境的监视数据。
在电路设计上采用485 总线联接。
上位机为PC 机控制，通过对总线的定时轮询来实现随时插拔关节。
此设计能方便地实现替换任意关节，能根据不同任务随时拆卸安装新的关节，甚至实现带电插拔，极大的增强了蛇形机器人的可靠性和耐用性。
并且，SolidSnake II 搭建了完善的软硬件开发平台，为后续的研究开发奠定了坚实的基础。
随着研究的深入展开，蛇形机器人研究与应用一定会有更广阔的天地。
1.2.1国外研究状况上个世纪七十年代，日本东京工业大学的Hirose 教授就已经开始了蛇形机器人的研究。
Hirose 教授于1972 年研制了第一台蛇形机器人（Active CordMechanism-ACMIII）（见图1-3）。
该机器人的总长为2m，具有20 个关节，依靠伺服机构来驱动关节左右摆动[14]。
为与地面有效地接触，该机器人的腹部安装了脚轮。
该机器人的最大速度为40cm/s，只能在平面上运动。
继第一台蛇形机器人之后，Hirose 教授的研究室又先后研制了一系列的蛇形机器人。
ACM-R3 是最近的研究成果（见图1-4），该机器人的参数见表1-1。
ACM-R3 机器人采用完全无线控制的方式，每个关节自带电源。
而且ACM-R3为三维结构，能够在三维环境中运动和完成复杂的三动作。
（图1.3 ACMIII）（图1.4 ACM-R3 蛇形机器人）表1.1 ACM-R3 蛇形机器人的参数日本的NEC 公司的Takanashi 研制了刚性关节连接的蛇形机器人（见图1.3），该机器人的机构采用了特殊的关节结构，具有6 个管状的连杆，长1.4m，直径42mm，重4.6kg，能够实现三维空间运动，可以应用在危险情况下的勘查和营救工作。
NASA的JPL 采用了NEC的蛇形机器人结构设计了一种Serpentine robot，该机器人约1m 长，直径4cm，重量为3.18kg，具有12 个自由度（见图1.4），主要是完成在存在障碍物的环境中的操作任务图1.5 NEC 的蛇形机器人（图1.6 JPL 操作手）德国的GMD 研制了蛇形机器人。