一种可重构蛇形机器人的研究
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。
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。
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。
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
基于ADAMS的蛇形机器人运动仿真研究
基于 ADAMS 的蛇形机器人运动仿真研究
韩兴言，岳 林
（山西机电职业技术学院，山西 长治 046011）
摘 要：本文主要对蛇形机器人关节结构进行模块化设计，对结构特点进行分析，给出结构参数。对蛇形机器人主要的爬 坡运动进行运动分析和动作规划，并利用 ADAMS 软件对运动情况进行仿真，分析了爬坡运动参数和关节力矩变化情 况，为蛇形机器人的运动规划提供了较为完整的技术依据。 关键词：蛇形机器人；受力分析；ADAMS 模拟仿真
中图分类号：TH112
文献标识码：A
文章编号：1672-545X（2017）09-0029-03
0 引言
蛇形机器人在军事和民用领域中应用很广泛， 随着对机器人研究的不断进步其功能增强，为人类 提供更好的服务。在军事上，蛇形机器人可以执行侦 察、监视敌情等任务，这可以降低人员受到伤害甚至 减少伤亡；还适用于复杂操作环境像沙漠、海洋等[1]。 在民用领域中，蛇形机器人相对于轮式机器人与地 面的接触面积较大，在单位面积上的重量较小，适合 在土质松软的地区执行检测任务，能代替人类在危 险的未知区域执行探索任务。由于其细长灵活的结 构特点，可以用于飞机维修、检测环境、获取气体或 土壤样品等任务[2]。本文以蛇形机器人爬坡过程的运 行规划和仿真为例，得出蛇形机器人在运动过程中 所需要的条件以及在运动过程中受到的干扰，为蛇 形机器人的设计提供足够的技术支撑。
（1）
其中 F 为稳定工作时舵机驱动在履带上产生的
牵引力，m 为单个模块质量，滋 为履带与地面的摩擦
系数，琢 为坡度角，v 为履带卷绕速度。
机器人模块要在斜坡上平稳行走需要满足两个
条件：
（1）驱动条件
F 逸 滋mgcos琢 + mgsin琢
机器蛇-技术报告
模块化可重构蛇形机器人技术报告北京航空航天大学吴永亮唐小虎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蜓蜻翅膀的结构。
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。
区别于传统的“基于运动模型的运动控制策略”和“基于行为的运动控制策略”，以行为主义控制模型为基础，本文试图建立从模仿蛇类生物中枢神经系统及关节反射调节系统，实现一种“分布式底层运动控制——高层中枢决策”的控制模型。
并且经由独立开发的蛇形机器人样机验证此一模型，在实验中取得了良好的效果，证明本文提出的控制模型没有原则上的错误以及不可克服的应用困难。
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。
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与地面的摩擦系数特性。基于以上的思想，本样
收稿日期：&""&—",—"& 基金 项 目：国 家 -’% 高 技 术 研 究 发 展 计 划 资 助 项 目 （&""!++#&&%’"）
万方数据
机在机构的底面刻有一定规律的条纹，来增加法 向和切向摩擦系数比。 !0# 柔性连接单元设计
· !%(! ·
中国机械工程第 *8 卷第 *, 期 #//@ 年 . 月下半月
!"" 运动的实现 蛇的运动模式是有选择的，因为它通常针对
特定的环境显得十分有效。根据蛇形机器人平面
和空间运动学模型，本样机实现了自然界中蛇的
# 种典型运动方式（见图 #）。
（$）
（%）
（&）
（’）
图 # 蛇形机器人典型运动方式的实现
（(）蜿蜒运动 蛇形机器人的蜿蜒运动（见图
#$）是运动效率比较高的一种运动方式，它的运动
间的扭转作用产生。目前此类蛇形机器人的代表 !，主要由固定板、智能控制单元、活动板、仿蛇皮
机构有柔性关节单元蛇形机构及二自由度模块组 底面、连接板组成。固定板、活动板、连接板材料
成的蛇形机器人机构［#，(］。
为铝合金。智能控制单元由一个控制板和一个直
模块可重构机器人由许多模块组成，这些模 流伺服电机组成，整个单元安装在固定板上，活动
播频率是水平面内波传播频率的二倍时，侧向运 动的速度和切向运动速度基本相等，最大速度可 达 !+!# - . /。
0 结论
本文提出的新型的可重构蛇形机器人机构具 有可适应地面形状变化的柔性连接环节和类似于 蛇腹鳞摩擦特性的机构底部；手动可重构，当单自 由度关节轴线互相平行连接时，该机构可进行平 面运动，当单自由度关节轴线垂直依次连接时，形 成的蛇形机器人具有两自由度的关节，可进行三 维空间运动。建立了该蛇形机器人平面和空间运 动学模型，并实现了平面蜿蜒运动、直线运动和伸 缩运动，以及空间侧向蜿蜒运动等。
本样机共由 */ 个模块连接而成，头部和尾部 两模块分别安装电机驱动器和电池，不参与运动。 整个蛇形机器人体长为 /0- 1，重量为 *0* 23，所 选 关 节 电 机 型 号 为 456 7 8-#*，额 定 功 率 为 *0# 9。
根据蛇形机器人结构和运动特点，平面运动 的蛇形机器人可以简化为平面连杆模型［#（］ 见图 #）。蛇形机器人在 ()* 平面上运动，相邻关节之
$
#
%&!!/ ’
(%（; #
%’&!"）
（*）
式中，’ 为蛇形机器人机体长度；%& 为传播波的个数；& 为 运动平面内模块数；!/ 为运动的初始弯角；" 为蛇形机器 人沿蛇形曲线轴线方向的虚位移。
· *@A#万·方数据
图 $ 蛇形机器人空间运动学模型
关节，分别把它们定义为一个绕 ( 轴的上下抬起 运动和另一个绕 0 轴的左右摆动。绕 ( 轴的上下 抬起运动由其中一个电机转动角 "#+ 控制 ，而绕 0 轴的左右摆动方程则由另一个电机转动角 ""+ 控制，可推导出模型的空间运动学表达式
中图分类号：)*&#
文献标识码：+
蛇形机器人已出现了多种结构形式，并实现 万向节式、连杆式、多脊骨相连式、轴线斜交球铰
了多种运动模式［!］。按照结构形式的不同，蛇形 等［(］，但是它们制造复杂、控制困难。本文基于可
机器人可以分为两类，第 ! 类是由带有轮子的模 重构思想，提出了一种两自由度新型蛇形机器人
器人的应用领域。
!0" 摩擦底面设计
! 可重构蛇形机器人的机构设计
!0! 关节设计
自然界中的蛇借助于腹鳞与地面的作用力向 前运动，腹鳞的主要特性在于蛇运动时，其法向摩 擦系数远远大于切向摩擦系数，防止运动时躯干
侧向滑动，提高了蛇运动的效率。目前，大多数蛇
形机器人借助轮子与地面接触，利用其滚动和滑
动摩擦系数的差别来改变运动时法向和切向摩擦
效率决定于机构与地面之间法向和切向的摩擦系
数特性，切向摩擦系数较小，以减小阻力，而法向
摩擦系数较大，以防止产生较大的侧向位移，提高
运动效率。进行蜿蜒运动时，本样机采用平面组
合方式，模块之间由柔性环节相连，设计用于蜿蜒
的摩擦底面与地面之间的法向摩擦系数与切向摩
擦系数比为 ) * (，蜿蜒运动速度最大为 !+(, - . /，
块能以多种方式断开或连接，形成具有不同功能 板与下一模块的连接板相连接，因此电机的输出
的新系统。它有三个显著特点，即通用性、鲁棒性 由活动板传递给下一单元，电机摆动幅度为 1"2。
和经济性。蛇形机器人具有模块化结构特点，因 整个单自由度关节长度为 ," 33，宽度为 %% 33，
此可重构蛇机器人的研究，极大地扩宽了蛇形机 高度为 (( 33，重量约 !"" 4。
图 # 蛇形机器人平面运动学模型
间的相对转角 !（+ "）为表 征 运 动 形 状 的 关 节 变
量，可由式（*）积分得
", -
! "（+ "）# （! .）<. # "
$ #!/(%; %&&!(%（; # %’&!" , # %&&!+）, %* -
（#）
式中，+ 为任意一个关节；- 为每一模块的长度；%* 为曲率 偏差。
模块可重构系统有多种形式。按构成模块的 种类可以分为同构型和异构型，同构型是指系统 由同一类模块组成，异构型是指系统由不同的模 块组成。按模块的组织形式可分为点阵式和非点 阵式，点阵式机器人通常由同种模块构成，它需要 为运动而构型，即系统的重心随着系统构型的改 变而作相应的变化［,］。非点阵式机器人可以边运 动边构型，或把可重构和运动阶段分开［-］。按可 重构的对接方式又可分为手动可重构和自动可重 构。对接是可重构机器人的一个关键动作，它是 指模块之间的连接方式和方法，有机械式、电磁式 等多种对接方式［.］。
接，每两个模块构成具有两个相对独立自由度的
# 运动学建模及运动的实现
#+! 平面运动学方程建模 $%&’()［*］假设自 然 界 的 蛇 运 动 时 肌 肉 )&:);’%< =>&?)）来模拟蛇的运动曲线，其
运动曲线曲率方程为
（! "）#
缩形式。
（#）侧向运动 侧向运动（见图 #’）是蛇形机
器人的一种三维运动形式，通过控制它的 " 轴的 关节和 # 轴的关节都呈正弦变化，两个平面内的
波之间有一个相位差$# 而产生。两个波形曲线 的相位差和波的传播方向决定侧向运动的姿态，
两个波的传动频率决定机器人侧向运动的方向。
对于本样机在试验台上运动，当垂直平面内波传 万方数据
蛇形机器人在凸凹不平的地面上运动时，为 了 实 现 运 动 的 稳 定 性 可 以 采 用 一 个 柔 性 环 节。 !"［#］对 $%&’()［*］的弹性装置作了进一步改进。但 以上装置只解决了机器人对纵向凸凹状况的适应 性，没 有 解 决 机 器 人 可 能 出 现 的 横 向 倾 斜 问 题。 为此，本文设计了一种新型弹性装置，水平连接在 两个模块之间，较好地解决了以上问题。 !+" 可重构设计
本文设计的蛇形机器人为同构型非点阵式机 器人，采用机械式对接方式，通过手动可重构，以 实现蛇形机器人的平面运动及空间运动。为此设 计了一种连接装置，保证各单自由度关节轴线互 相平行或垂直时都可以实现对接。当单自由度关 节轴线互相平行对接时，蛇形机器人的每个关节 为一个自由度，可以进行平面运动；当单自由度关 节以轴线垂直方式依次对接时，蛇形机器人每个 关节变为两个自由度，可实现三维空间运动。
摩擦特性的机构底部，手动可重构，当单自由度关节轴线互相平行连接时，该
机构可实现多种平面运动形式，当单自由度关节轴线垂直依次连接时，形成
的蛇形机器人具有两自由度的关节，可进行多种空间运动。试验结果证实，
该蛇形机构重量轻、控制简单、运动灵活，能够很好地仿生蛇的多种运动形 陈 丽 博士研究生 式。
关键词：可重构；蛇形机器人；平面运动；空间运动
一个周期内产生的侧向位移平均为 !+!0 -。
（1）行波运动 蛇形机器人行波运动（见图
#%）效率也决定于机构与地面之间的摩擦系数特
性，机构在反向运动方向应有较大的摩擦系数，以
防止后退，在同向运动方向应有较小的摩擦系数，
以减小阻力。把进行平面蜿蜒运动的样机，去除
柔性环节，模块间刚性连接，整体翻转 2!3，就可以
改变 %* 的大小，就可以改变运动方向；改变 " 的大小，则可以改变运动的速度。
#/# 空间运动学方程建模
如果把蛇形机器人的空间运动看作是两个平
面运动的合成，那么空间运动的蛇形机器人可简
化为空间连杆模型（见图 @），每一个模块有一个
局部坐标，机体轴线方向设为 * 轴方向，机体法线
方向设为 ( 轴，将模块按轴线垂直方式依次连
块串连而成，运动直接由轮子驱动或蛇体内的行 关节，该关节由两个单自由度关节组合而成。
波传播产生 ，目前此类蛇形机器人的代表机构有
单自由度关节可以看作为一个最小模块化结
主动索状机构（+./）［&］和变几何桁架结构［%］。第 构，每一模块均由一个直流伺服电机驱动，其结构
& 类是由刚性杆组成的链状结构，运动由关节之 简单、容易控制、运动灵活。单自由度关节见图
} "（+ "）# $ #!"/ (%; %&"&!(%（; # %’"&!" , # %&"&!+）, %* -