蛇形机器人中文论文综述
蛇形机器人的机构设计及运动分析
蛇形机器人的机构设计及运动分析张玲玲;曲泽超【摘要】Snake-like robot can adapt all sorts of complex circumstances with its unique body structure and movement forms.In order to verify the ability of motion for snake-like robot,a snake-like robot was designed,which was able to execute cycle locomotion. The design of the robot's arthrosis mechanism and the movement principle were discussed. The motion tread feature of three-reciprocating rod model was analyzed by establishing mathematic model of robot motion in detail, combined with the motion periodicity of snake-like robot.The results indicate that three-reciprocating rod motion tread improves the ability of motion for snake-like robot.%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.【期刊名称】《机电工程》【年(卷),期】2012(029)005【总页数】4页(P512-515)【关键词】蛇形机器人;周期性运动;关节设计;三连杆;运动步态【作者】张玲玲;曲泽超【作者单位】中国船舶重工集团公司第七一三研究所,河南郑州450015;中国船舶重工集团公司第七一三研究所,河南郑州450015【正文语种】中文【中图分类】TH122;TH112;TP2420 引言随着科学技术的发展和人们生活水平的提高，有关机器人领域的研究也越来越受到科学家和社会各界的关注，并且目前已取得了很大的成绩。
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。
一类蛇形机器人系统的运动学分析.
一类蛇形机器人系统的运动学分析¹黄恒 º颜国正 »丁国清高志军(上海交通大学信息检测技术及仪器系上海 200030摘要针对复杂、人力所不能及的作业环境 , 提出一种仿蛇类生物的蛇形机器人。
这种多关节机器人采取了自然界中蛇的形体及运动特点 , 通过各部分协调运动从而实现机器人的整体运动。
分析了机器人运动学模型 , 建立其运动学方程 , 并对机器人控制过程中的奇异状态问题进行了讨论。
关键词蛇形机器人 , 仿生学0 引言针对障碍物众多、凹凸不平等非结构环境 , 研究人员提出了仿蚯蚓、蛇类生物的多关节、多自由度仿生机器人。
同时伴随着仿生技术、计算机技术和控制技术的发展 , 为仿蛇类生物的多关节、多自由度机器人研究 , 特别在其体态运动控制的原理、系统构成、控制算法等方面的研究提供了强有力的支持 , 并取得了一些成果 [1-3]。
蛇类动物能够在极不规则的环境下运动 , 可以爬坡、跨越沟道、攀援等等 , 也能够在松软的沼泽或沙漠中运动 , 还能够通过蜿蜒曲折的狭窄的通道。
因此仿蛇机器人的研究得到了国际机器人领域的高度重视。
据报道 , 日本东京工业大学 Shigeo H-i rose [4]比较早的在这方面开展了一些研究工作 , 并研制了一系列的关节式机器人。
本文所研究的蛇形机器人对适应特殊环境机器人的实现有很大意义。
1 蛇形机器人的平面运动学方程研制的蛇形机器人如图 1所示。
当机器人在平面上移动时 , 它的简化系统模型描述如图 2所示 (图中只画出前3节 ,讨论中则针对图 1 蛇形机器人的实物图片高技术通讯 2002. 05¹º»联系人。
(收稿日期 :2001-03-16; 修订日期 :2001-06-20 男 , 1974年生 , 硕士 ; 研究方向 :机器人。
上海市曙光计划 (98SG18 资助项目。
具有 n 节的一般系统。
值得说明的是 , 本文所设计的蛇形机器人的轮足不是驱动轮 , 只具有滚动的功能 , 用以减小与接触面的摩擦力。
关于蛇形机器人结构运动及控制的研究
关于蛇形机器人结构运动及控制的研究蛇形机器人是一种模仿蛇形动态运动特性的机器人。
由于蛇形机器人的结构与运动方式与传统的机器人有所不同，因此对于蛇形机器人的结构、运动以及控制的研究具有重要意义。
首先，蛇形机器人的结构设计是研究的关键。
蛇形机器人通常由多个连续关节组成，每个关节都可以相对于前一个关节弯曲并展开。
通过控制关节的弯曲和展开，蛇形机器人可以模拟蛇身的曲线形状。
为了实现这种结构，研究人员通常采用柔性材料制作机器人的关节，以实现关节的变形。
此外，关节之间的连杆也需要适应关节变形的能力，这需要考虑到关节与连杆之间的连接方式及材料选择。
然后，蛇形机器人的运动特性也是研究的重点之一、蛇形机器人的运动是通过关节的协调运动实现的。
研究人员通过研究蛇类的运动方式，探索了不同的运动模式。
其中，波浪式运动是常见的一种模式，即蛇形机器人从头部到尾部依次弯曲并展开，形成像蛇一样的波浪形状。
此外，还有一些其他的运动模式，如直线运动、旋转运动等。
研究人员通过研究这些运动模式，探索了不同的运动方法和策略，以实现蛇形机器人的高效运动。
最后，蛇形机器人的控制方法也是蛇形机器人研究的重要内容。
蛇形机器人的控制需要实时控制各个关节的弯曲角度以及关节之间的协作运动。
常用的控制方法包括开环控制和闭环控制。
开环控制是在事先确定好运动序列的情况下，通过一定的控制输入来驱动机器人完成运动。
闭环控制则是在运动过程中通过传感器检测实际运动状态，并与目标运动状态进行比较，通过调整控制输入来实现机器人的运动控制。
研究人员通过模拟和实验，比较不同的控制方法的优缺点，并提出了一些新的控制策略，以提高蛇形机器人的运动性能和控制精度。
综上所述，关于蛇形机器人的结构、运动及控制的研究是一项具有重要意义的研究工作。
通过对蛇形机器人的结构、运动及控制的研究，可以为机器人的设计和应用提供一定的理论基础和实践经验，推动机器人技术的发展和应用。
同时，蛇形机器人的研究还可以为生物学、医学等领域提供一定的借鉴和启示，促进不同学科之间的跨界合作。
蛇形机器人研究综述及在核电中的应用展望
蛇形机器人研究综述及在核电中的应用展望随着科技的飞速发展，机器人已经从最初的简单机械手臂逐渐演变成了具有高度智能化和灵活性的现代工具。
其中，蛇形机器人以其独特的运动方式和适应性引起了广泛关注。
它们像蜿蜒前行的灵蛇，穿梭于狭窄或复杂的环境之中，展现出惊人的机动性和灵活性。
在众多应用领域中，核电行业因其特殊性和对安全性的高要求而成为蛇形机器人展示其才华的舞台。
核电站内部结构复杂，管道密集，常规机器人往往难以进入某些特定区域进行检修或监测。
这时，蛇形机器人的优势便凸显出来：它们能够轻松地穿过狭窄的缝隙，绕过障碍物，到达人员难以直接操作的位置。
然而，蛇形机器人的研究并非一帆风顺。
它们的设计需要考虑到如何在保持灵活性的同时提高负载能力，如何在复杂的三维空间中精确控制运动轨迹，以及如何确保在极端环境下的稳定性和可靠性。
这些问题如同悬在研究者头顶的达摩克利斯之剑，时刻提醒着他们不断探索和完善。
目前，蛇形机器人在核电领域的应用主要集中在设备巡检、故障诊断和维护等方面。
它们装备有高清摄像头和各种传感器，能够捕捉到微小的异常信号，及时发现潜在的安全隐患。
此外，一些蛇形机器人还具备简单的操作功能，可以在不中断核电站运行的情况下完成一些紧急维修任务。
展望未来，随着人工智能技术的进一步发展和材料科学的突破，我们有理由相信蛇形机器人将在核电行业中扮演更加重要的角色。
它们或许能够实现完全自主的操作，甚至与其他机器人或人类工作人员协同作业；它们的感知能力将更加敏锐，能够在第一时间内识别并响应各种复杂情况；它们的结构将更加坚固耐用，能够在高温、高压、强辐射等恶劣条件下长期稳定工作。
当然，这一切的实现都需要我们持续投入研究和创新。
我们需要更深入地理解蛇形机器人的运动机理和控制策略，开发更加高效和智能的算法来指导它们的行动；我们需要探索新型材料和制造工艺来提升它们的性能和降低成本；我们还需要加强跨学科的合作与交流，将不同领域的最新成果融合到蛇形机器人的设计和应用中去。
蛇形机器人的原理
蛇形机器人的原理蛇形机器人的原理是通过模仿和模拟蛇的运动方式来实现机器人的移动。
蛇能够在不同的环境下灵活地爬行，并且能够通过扭动身体的方式来改变方向和前进。
蛇形机器人就是通过类似的方式来实现机械结构和运动控制。
蛇形机器人通常由多个关节和环节组成，这些关节和环节通过某种机械连接方式相互连接。
每个关节都有能够自由运动的自由度，可以通过这些自由度的组合来实现蛇形机器人的运动。
在机械设计上，通常使用连杆、铰链、舵机等来实现关节的运动。
蛇形机器人的运动方式主要是通过扭曲和扭转自身的身体来实现。
具体来说，当蛇形机器人需要向前运动时，它会将身体前面的一部分向前扭动，同时将身体后面的一部分向后扭动。
这样一来，机器人整体的前进方向就会与身体的扭动方向相反，从而向前移动。
蛇形机器人的身体通常由一系列类似链环的环节组成。
这些环节具有一定的柔软性和可变形性，可以通过变形来实现机器人的运动。
每个环节通常由一个关节和一个连接环组成。
关节用于控制环节的运动，连接环用于实现环节之间的连接和运动传递。
在控制方面，蛇形机器人通常使用传感器和控制算法来实现运动的识别和控制。
传感器主要用于感知机器人周围的环境，例如通过摄像头来感知周围障碍物的位置和距离。
控制算法则负责根据传感器的数据来计算机器人的运动轨迹和关节的运动方式。
在运动控制方面，蛇形机器人的目标是通过对每个关节的运动控制来实现机器人整体的运动。
通常，每个关节都由一个电机或舵机驱动，通过改变电机或舵机的转动角度来实现关节的运动。
控制算法根据机器人的运动目标和当前环境的信息，计算每个关节应该运动的角度和方向，然后发送控制信号给相应的电机或舵机。
总结起来，蛇形机器人的原理是通过模仿和模拟蛇的运动方式来实现机器人的移动。
它由多个关节和环节组成，通过某种机械连接方式相互连接，并且通过扭曲和扭转身体来实现运动。
蛇形机器人通过传感器和控制算法来感知环境和控制运动，以实现机器人整体的运动和导航。
一种基于空间连杆机构的蛇形机器人
+ < co s a rcco s + < sin a rcco s +<
a a +c a a +c
2 2 2 2
+π +θ +π +θ ( 1)
2 2 2 a + b + c co s a rc tan
2 2 2 a + b + c sin a rc tan
和
xQ = yQ = zQ =
2 2 2 a + b + c co s a rc tan
心 , 从 O 点 到 PO 和 QO 的 几 何 尺 寸 为 O E = a =
221 5 mm , EF = b = 271 0 mm , FP0 = FQ 0 = c = 451 0 mm ,
O P0 = OQ 0 = a + b + c = 561 8 mm; 令 U 和 V 表示
2 2 2
个蛇身的运动 . 本文下面展示的样机有 9 个骨节 , 由
16 个微型伺服电机驱动 . 关节空间机构的三维实体
模型如图 1 所示 , 以骨节间水平和垂直最大转角为 优化目标 , 以整体外形尺寸和电机外形尺寸为约束 条件 ,通过实体运动仿真对该空间机构关节参数 (骨 节长 、 宽、 高、 曲柄长和连杆长 ) 寻优得到的主要参数 见表 1. 为了调整蛇形机器人纵横向运动的摩擦系 数 ,每个骨节下面安装有两个被动轮 .
Fig . 3 Geometric parameters of joint spatial mechanis m
xP = yP = zP =
2 2 2 a + b + c co s a rc tan
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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平行连接与正交连接的工作空间都是有限，采用这两种连接方式的蛇形机器人很多动作不能实现，在复杂的三维环境中难以应用和推广。而万向节连接具有完整的三维工作空间，大大提升了采用这种连接方式的蛇形机器人动作的复杂性，具有最广泛的应用领域。因此蛇形机器人的设计以采用万向节连接方式为最理想，而万向节结构复杂,在一个关节处需要两个或三个电机同时动作，一个转角的实现需要几个角度配合输出，复杂的结构和输出使得控制也变得复杂。本文在这三种连接方式的基础上进行改进，设计一种能够同时具有上述两方面优点的关节模块。
1.将直线运动分为3个阶段：波峰生成阶段、波峰过渡阶段、波峰传递阶段，对每个阶段做了简要叙述。
2.描述直线运动的关节角度时间函数，结合直线运动的3个阶段来论证机器蛇可以进行直线运动。
3.结合6节机器蛇的多连杆组成来说明的直线运动步态。
4.建立机器蛇的模型和仿真，分析一个周期内机器蛇的仿真和理论爬行距离。
4.《基于AT90S8515单片机的蛇形机器人控制系统设计》
一、提出了一种基于AT90S8515单片机控制的蛇形机器人的结构原理和软硬件实现方法，机器人采用遥控方式操作，由于采用了RISC结构的控制器，该机器人运动控制算法简单实用，成本较低，具有广阔的应用前景。
二、由9节8个关节组成蛇形机器人，能够良好地模拟蛇的直线运动，并能以设定的速度完成预先编排的抬头、摆尾等动作。
用TMS320F2812(以下简称DSP2812)产生多PWM波形的方案，这种方法摆脱了软件计数实现PWM脉冲宽度控制的设计模式可以同时独立生成多路精确PWM信号，最大限度地节约MCU的计算资源。同时对于用硬件实现的PWM波形输出方案（硬件实现），这种方案硬件设计相对简单。
2.12路PWM运动控制信号产生方式:
3.《仿壁虎机器人多路舵机控制器设计》
创新点：针对仿壁虎机器人需要同时控制多路舵机的要求，设计出了一种基于TMS320F2812的多路舵机控制器。
结果：结合优化的舵机平滑控制算法，成功实现机器人需要的12路舵机精确控制，达到了预期的控制效果。机器人无吸附力的情况下实现水平地面自由前进、后退、运行速度的自由控制，及在此过程中的左右转弯。
问题
1.实现多路舵机控制的方案大致分为两种，软件实现和硬件实现。
用软件中断的方法实现多路舵机的控制，其硬件原理相对简单，但是在PWM波形生成过程中，需要大量的中断服务实现软件计数，在有其它控制需要影响到机器人的中断控制的实时性时，很容易降低舵机的控制精度。
硬件中断如可编程逻辑器件(CPLD)，其优点在于使生成PWM的方法相对更加简便灵活，但是存在的缺点就是CPLD器件不具备事件处理能力，在大多数场合还需要MCU协同工作，使软硬件系统变得复杂，开发成本昂贵。
5.《蛇形机器人直线运动的研究》
提出用一种由6个关节组成的蛇形机器人，在机械系统动态仿真软件ADAMS中建立蛇形机器人的运动模型，设置直线运动的关节角度时间函数，研究其直线运动机理。并在ADAMS中添加各种驱动，设定运动函数，分析了地面摩擦跟蛇体的运动关系，并进行了仿真验证。结果表明，所提出的蛇形机器人能够完成设定的直线运动。
6．《基于Webots的蛇形机器人翻滚运动仿真及实现》
1.给出一种建立正交关节蛇形机器人三维空间运动模型的方法，提出了实现蛇形机器人侧向翻滚运动的舵机输入函数，通过选择不同的控制参数，可以实现蛇形机器人“U”字形和“V”字形侧向翻滚运动。
2.在Webots移动机器人仿真软件上进行正交关节蛇形机器人翻滚运动仿真，并在蛇形机器人本体上进行试验，验证了所提控制规律的有效性。
根据实际需要提出了并行产生6路PWM控制舵机的方法，此方法可以根据单片机10接口适当扩展，以更好地满足需要。
提出的5种控制舵机调速方式很好地实现了舵机不同状态之间的过渡，速度调节简单方便，舵机运行稳定，追随性能好。蛇形机器人运行稳定，程序具有一定的通用性。
2.《一种新型的攀爬蛇形机器人》
针对蛇形机器人最常采用的三种关节连接方式:平行连接、正交连接和万向节连接，提出了一种具有万向节功能的P-R(pitch-roll)线运动示意图，8个关节伺服电机一个周期的运动的脉宽，但未介绍相关算法。
3．控制系统采用台湾瑞昱公司生产的遥控CMOS大规模集成电路TX-2／RX-2。介绍了收发电路的工作原理。
4.系统选用AT90S8515单片机作为主控制器的原因：AVR单片机的特殊内核允许在单个时钟周期内执行的单条指令同时访问2个独立的寄存器，这种组合机构提高了代码效率，使AVR单片机获得比普通单片机高近10倍的性能，特别适用于蛇形机器人的控制。
1.《基于AVR的蛇形机器人舵机控制》
提出了利用AT-megal6L嵌入式微处理器产生6路PWM信号控制舵机的方法，并利用控制函数实现了舵机的5种调速，完成了蛇形机器人的蜿蜒运动。
Serpenoid曲线的离散化设计本文采用2种控制方式相结合的方法，采用2个控制单元，使其通过无线发送接收模块进行同步，而每个单元同时控制6个关节的运动，通过二者的协调控制，实现蛇形机器人的控制。实现XY平面的蜿蜒运动。
DSP2812的每个事件处理器能够产生8路PWM信号，其中6路由全比较单元产生，两路由GP定时器的比较功能产生，因为全比较单元产生的6路PWM信号两两相关，所以每个事件处理器实际能产生的能满足控制要求的独立PWM信号为6／2+2=5路。
DSP2812共有两个事件处理器(EVA和EVB)，所以通过事件处理器产生的相互独立的PWM信号为10路。另外两路信号由DSP的CPU定时器以中断方式控制普通IO口模拟产生。
DSP2812所有引脚的输出缓冲驱动能力为4mA，为了防止在舵机运行时DSP芯片由于驱动能力不足而损坏，在PWM信号输出端和GPIOA／GPI—OB的扩展外设接口端都接有电平转换芯片SN74LV245，SN74LV245在保护DSP芯片的同时，能起到缓冲与增强驱动能力作用。
上下位机通过RS232串口通信，采用Max3237芯片进行电平转换。