一种可重构蛇形机器人的研究

一种新型的攀爬蛇形机器人

第20 卷第1期苏州市职业大学学报 V ol.20,No.1 2009年3月 Journal of Suzhou V ocational University Mar. , 2009 一种新型的攀爬蛇形机器人孙洪（苏州市职业大学电子信息工程系，江苏苏州 215104）摘要：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,通过典型实例进行了工作空间的分析和比较,提出了一种具有万向节功能的P -R(pitch -roll)模块.该模块结构简单、便于控制,所组成的蛇形机器人理论上可以实现各种三维攀爬动作.最后通过研制的新型攀爬蛇形机器人样机,验证了P -R模块的可实现和灵活性．关键词：蛇形机器人；平行连接；正交连接；万向节连接；P -R模块；工作空间中图分类号：TP242 文献标志码：A 文章编号：1008-5475(2009)01-0027-05 A New Style Climbing Snakelike Robot SUN Hong (Department of Electronic Information Engineering, Suzhou Vocational University, Suzhou 215104, China) Abstract: Three most dominant joints' links, namely parallel link, orthogonal link and universal joint link, of snakelike robot were presented by typical models. Based on examples, their operating spaces were analyzed and compared. Then a new functional module for joints' combination, named Pitch - Roll, was presented. This module has the function of universal joint, but is simpler to implement and easier to control. A snakelike robot based on this link module can theoretically perform all types of maneuvers in 3D spaces. Finally, the prototype of a new type snakelike robot based on the P -R module was produced, which further verified the agility of P -R module. Key words: snakelike robot; parallel link; orthogonal link; universal joint link; P -R module; operating space 收稿日期：2008-11-26；修回日期：2009-01-16 作者简介：孙洪(1972-),女,山东济南人,讲师,博士,主要从事工业机器人和仿生机器人研究. 蛇形机器人是仿生机器人研究中很活跃的一支,从1972年日本东京大学的Hirose 教授研制出第一台样机至今,相继有数十台蛇形机器人样机问世.这些样机能实现在平面上蜿蜒爬行、侧滑、翻滚等二维运动,在爬行中抬头或爬台阶、翻越较低障碍等三维运动,而对于更为复杂的如爬树等三维运动则甚为少见.本文将通过典型实例对几种样机的连接方式进行分析比较,提出一种新的连接方式,并基于该连接方式研制蛇形机器人样机,以期能够开发出结构简单、便于控制、具有多种运动模式的、能爬树的攀爬型蛇形机器人,它可实现空中侦察、管外壁检测、电杆高空线路维修等功能,其应用前景十分广阔.1 常见蛇形机器人关节连接方式蛇形机器人是一种无固定基座、多关节、多自由度的链式柔性机器人,它由多个相同或相似的单元模块连接组成,其运动模式和工作空间决定于各单元模块间的连接方式.综合考察各种样机,蛇形机器

蛇形机器人的转弯和侧移运动研究

第４０卷第１０期机械工程学报ｖ０１４０Ｎｏ．１０２００４年ｌＯ月ＣＨＩＮＥＳＥＪＯＵＲＮＡＬＯＦＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ０ｃｔ．２０Ｏ４蛇形机器人的转弯和侧移运动研究＋叶长龙（中国科学院沈阳自动化研究所机器人学重点实验室沈阳１１００１６）马书根（日本国立茨城大学工学部茨城３１６—８５１１日本）李斌王越超ｆ中国科学院沈阳自动化研究所机器人学重点实验室沈阳１１００１６）摘要：介绍了沈阳自动化研究所研制的蛇形机器人机械结构和控制结构。在分析蛇形曲线的基础上，提出幅值调整法、相位调整法和侧移调整法三种新方法，来处理蛇形机器人侧向滑动带来的方位偏转和完成蛇形机器人自主转弯控制，并给出几种方法的量化关系，建立动力学仿真模型进行了运动仿真。幅值调整法虽然使蛇形机器人转弯角度受到限制但却保证了运动的连续性和稳定性。相位调整法能够使蛇形机器人准确地完成转弯运动。侧移调整法能够实现蛇形机器人前进过程中的侧向位置调整，同时保证运动方向的准确性。将上述方法应用到蛇形机器人的控制中，用仿真和试验验证了以上方法的有效性。关键词：蛇形机器人蛇形曲线幅值调整法相位调整法侧移中图分类号：ＴＰ２４方法验证了此规划。０前言１蛇形机器人结构蛇形机器人的研究开创了～个新的仿生机器人研究领域。自２０世纪７０年代日本的第一条蛇形机沈阳自动化所的蛇形机器人在机构上采用模块器人问世，各国的许多研究人员开始了该类机器人化设计（如图１所示），每个模块具有自由度，多个模的研究，提出大量的相关理论‘１嘲，制作了多台样机。块按一定方式连接可以组装成三维蛇形机器人（如近几年，我国科技工作者也开始研究蛇形机器人【－“。图２所示）。在控制上，选用ｃＡＮ总线的控制方式实蛇是一种无肢动物，依靠细长身体的蜿蜒运动现一点对多点的控制，满足实时控制的需要（如图３推动自身高速运动。根据蛇的运动原理制作的蛇形所示）。每个模块都装有一片嵌入式１６位单片机，各机器人，可以克服轮式机器人和腿式机器人的缺点，个单片机独立处理关节的运动信息和传感信息，为能够在多种环境中运动。例如：在草地中爬行，在机器人的分布式控制提供有利条件。蛇形机器人头水中游泳，在凸凹不平的地面运动，在沼泽中前进；部安装有ＧＰｓ定位系统、无线通信系统和摄像头，作为操作臂完成各种危险作业，进入狭小空间完成向主控计算机提供位置信息、通信和图像信息。蛇修补和抢救工作。而且蛇形机器人机构简单，模块形机器人尾部安装有电池，为蛇形机器人运动提供ｍｉｎ。目前，化设计能够实现可重构。另外，蛇形机器人的节律能源，该能源可供机器人至少运动４０运动为其控制提供了有利条件。沈阳自动化所已制所有模块实现了集成。作出两代蛇形机器人功能样机，在设计和试验中积累了很多宝贵经验。首先介绍蛇形机器人结构，包括机械结构和控制结构。然后，说明蛇形曲线，并在此基础上，提出有关蛇形机器人转弯的幅值调整法和相位调整法，同时提出了侧移运动的相关规划。对提出的几种运动方法作了量化分析。最后，用仿真和试验的＋国家８６３高科技资助项目ｆ２００１从４２２３６００１。２０∞０９０１收到初稿图１蛇形机器人机构２００４０４２０收到修改稿　万方数据

仿生机器人的研究现状及其发展方向

第36卷第6期上海师范大学学报(自然科学版)Vol.36,No.6 2007年12月 Journal of Shanghai Nor mal University(Natural Sciences)2007,Dec. 仿生机器人的研究现状及其发展方向王丽慧,周　华 (上海师范大学机械与电子工程学院,上海201418) 摘　要:随着机器人智能化技术的进步,机器人应用领域的拓展,仿生机器人的研究正在引起世界各国研究者的关注.主要对仿生机器人的国内外研究状况进行了综述并对其未来的发展趋势作了展望. 关键词:仿生机器人;研究现状;发展方向中图分类号:TP24 文献标识码:A 文章编号:100025137(2007)0620058205 人们对机器人的幻想与追求已有3000多年的历史,人类希望制造一种像人一样的机器,以便代替人类完成各种工作.1959年,第一台工业机器人在美国诞生,近几十年,各种用途的机器人相继问世,使人类的许多梦想变成了现实.随着机器人工作环境和工作任务的复杂化,要求机器人具有更高的运动灵活性和在特殊未知环境的适应性,机器人简单的轮子和履带的移动机构已不能适应多变复杂的环境要求.在仿生技术、控制技术和制造技术不断发展的今天,仿人及仿生物机器人相继被研制出来,仿生机器人已经成为机器人家族中的重要成员. 1　仿生机器人的基本概念仿生机器人就是模仿自然界中生物的外部形状、运动原理和行为方式的系统,能从事生物特点工作的机器人.仿生机器人的类型很多,主要为仿人、仿生物和生物机器人3大类.仿生机器人的主要特点:一是多为冗余自由度或超冗余自由度的机器人,机构复杂;二是其驱动方式有些不同于常规的关节型机器人,通常采用绳索、人造肌肉或形状记忆合金等驱动. 2　仿生机器人的国内外研究现状 2.1　水下仿生机器人水下机器人由于其所处的特殊环境,在机构设计上比陆地机器人难度大.在水下深度控制、深水压力、线路绝缘处理及防漏、驱动原理、周围模糊环境的识别等诸多方面的设计均需考虑.以往的水下机器人采用的都是鱼雷状的外形,用涡轮机驱动,具有坚硬的外壳以抵抗水压.由于传统的操纵与推进装置的体积大、重量大、效率低、噪音大和机动性差等问题一直限制了微小型无人水下探测器和自主式水下机器人的发展.鱼类在水下的行进速度很快,金枪鱼速度可达105k m/h,而人类最快的潜艇速度只有84km/h.所以鱼的综合能力是人类目前所使用的传统推进和控制装置所无法比拟的,鱼类的推进方式已成为人们研制新型高速、低噪音、机动灵活的柔体潜水器模仿的对象.仿鱼推进器效率可达到70%～收稿日期:2007209222 基金项目:上海师范大学理工科校级项目(SK200733). 作者简介:王丽慧(1972-),女,上海师范大学机械与电子工程学院副教授.

蛇形模块化机器人产品及技术介绍

SolidSnake-II ——模块化机器蛇概述一、应用背景：近几年来，仿生机器人学正在机器人领域占有越来越重要的位置，蛇形机器人由于其结构的特殊性,已成为仿生领域的研究热点。蛇形机器人在战场上的扫雷，爆破，矿井和废墟中探测营救，管道维修以及外行星地表探测等条件恶劣，且要求有高可靠性的领域有着广阔的应用前景。模块化设计和高冗余度设计等新思路的提出和逐步完善，使蛇形机器人成为研究的亮点。二、SolidSnake II 实验样机概述： SolidSnake II 结合了国内外蛇形机器人的发展现状，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、简单的行波状态，并以固定的相位差沿蛇体进行传播。采用中央处理机（即蛇的大脑）集中控制的方式把各种运动方式进行合成，实现了机器蛇的蠕动、游动、侧移、侧滚、抬头、翻越障碍物等运动形式。在对蛇类运动机理深入研究的基础上，得出了利用杆状结构的角度变化和运动时延，相位差去控制机器蛇运动的速率和运动方向的规律，并在实验中得到了验证。三、solid snake – II 创新点详述一）、模块化的机构设计：采用模块化的机构设计，可以很快的组装一条新蛇，而且结合电路系统，可以实现任意节数的组合，以适应不同的应用场合。单元体模块组成部件有：两节壳体，两个伺服电机，一块从机控制板。机械对接接口非常简单，只需要五个螺钉即可对接一个单元体。一个模块化单元体为一个正交的关节，有两个正交方向的自由度，在机械结构与控制结构上均自成一体，通过总线与其他从机及主机通讯。标准配置的SolidSnake-II 带有外接电池。但用户可以自行加装电池到每个单元关节，以便无缆运行。

1单元--snake-robot-蛇形机器人

1单元snake robot 蛇形机器人 space station 太空站seem possible 看起来可能 be able to (do) = can 能够 the World Cup 世界杯 2单元 look for 寻找keep out 不让……进入 in the future 在未来，在将来pay for 付款 come true (梦想)成为现实Teen Talk 青少年论坛 go skating 去滑冰in style 时髦的，流行的 fall in love with…爱上out of style 过时的 hundreds of 好几百，许许多多all kinds of 各种，多种 be free 免费on the one hand (在)一方面 in 100 years (用于将来时) 一百年后on the other hand (在)另一方面be in high school 上中学as…as possible 尽可能…地 live alone 独自居住=as…as sb can go swimming 去游泳get on with…与…相处，进展 see sb do sth 看见某人做…have a hair cut 理发 over and over again 一次又一次part-time job 兼职工作 get bored 厌烦call sb up=ring sb up 打电话给…… space rocket 太空火箭on the phone 在通话 electric toothbrush 电动牙刷What’s the matter (with)? 怎么了？computer programmer 电脑程序员What’s wrong (with)? 怎么了？live to be 200 years old 活到200岁the same as…与……同样的（书上重要表达）complain about 抱怨…… will be…将成为……argue with…与……争论 study on computer 在电脑上学习surprise sb 使…惊奇 as a reporter 作为一名记者borrow from…向……借 keep a pet 养一只宠物lend to…把…借给… during the week 在一周期间find out 发现，找出 wear a suit (uniform) 穿西装（制服）except me 除了我 at the weekend 在周末do wrong 做错事 on vacation 在假期under too much pressure 承受太多压力 predict the future 预测未来take part in 参加 the head of a company 公司负责人compare …with…把…和…比较need to do sth 需要做某事（书上重要表达） job interview 求职面视enough money 足够的钱 science fiction movie 科幻电影write sb a letter 给某人写信 just like…就像……a ball game 一场球赛 help with +名词帮助做某事talk about…谈论…话题 make sb do sth 使某人做……say sorry to…向…说对不起 It’s easy for sb to do sth 做某事很简单have a bake sale 卖烤点wake up 醒来buy….for…. 为…买… get a tutor 请家教get out of the shower 洗完澡 be popular at school 在学校受欢迎sleep late 睡懒觉

仿生机器人的研究综述

仿生机器人的研究综述华明亚（上海大学机电工程与自动化学院，上海200072）摘要：在人类认识世界和改造世界的过程中，存在人类无法到达的地方和可能危及人类生命的特殊场合，如星球探测、深海探测、减灾救援和反恐活动等，而仿生机器人为解决上述问题提供了一条有效途径。随着机器人技术和仿生学的发展，仿生机器人的研究正受到学者们的普遍关注。在对仿生机器人进行分类的基础上，从地面仿生机器人、水下仿生机器人以及空中仿生机器人3个方而简要介绍了国内外典型仿生机器人的研究进展，并介绍其发展趋势。关键词：仿生机器人；机器人运动；发展趋势； Research review on bionic robot Hua Mingya (School of mechanical engineering and automation, Shanghai University, Shanghai 200072, China) Abstract:: In the human understanding and transforming the world in the process, the existence of human beings can not reach the place and special occasions may endanger human life, such as planetary exploration, deep sea exploration,disaster relief and anti terrorist activities, and bionic robot provides an effective way for solving the above problems. With the development of robot technology and bionic, bionic robot research has received wide attention of scholars. In the classification based on bionic robot, bionic robot, bionic robot from air groundbionic robot, underwater 3 party and briefly introduced the research progress oftypical bionic robot at home and abroad, and introduces its development trend. Key words: Bionic robot; robot movement; development trend; 1 机器人的研究现状 1.1 机器人国外研究现状由于仿生机器人所具有的灵巧动作对于人类的生产和科学研究活动有着极大的帮助，所以，自80年代中期以来，机器人科学家们就开始了有关仿生机器人的研究。自1983年以来，美国Robotics Research Corporation以拟人臂组合化为设想，基于系列关节研制出K-1607等系列7自由度拟人单臂和K/ B 2017双臂一体机器人，其单臂K/ B 2017已用于空间站实验。

蛇形机器人使用说明书

UP-SolidSnake 蛇形机器人教学实验系统使用说明书
北京博创科技 2005 年 12 月

前言
本说明书以仿生机器蛇为背景，从项目开发的角度，来讲述机器蛇项目设计过程中所涉及的技术知识，更重要的是通过介绍机器蛇的各种设计过程，讲述典型机电一体化项目开发的有关知识。我们给机器蛇起了一个有趣的名字 Solid Snake（刚体蛇），即是以机械结构等刚体构建柔性的机器蛇。本机器蛇说明书，希望能够达到以下几点目的：通过机器蛇介绍，大家能够对 SolidSnake 有个总体了解，并清楚 SolidSnake 的结构设计、运动研究、控制系统等方面的内容。通过机器蛇使用说明，大家能够组装制作机器蛇，并能够操纵机器蛇完成一定形式的运动，另外，能够通过预留的接口，自己编程控制机器蛇。
目录 §1 机器蛇介绍
研究概况；结构设计；运动研究；控制系统设计
§1.1 §1.2 §1.3 §1.4
§2
机器蛇使用说明
§2.1 装配说明； §2.2 控制机器蛇运动； §2.3 编程控制机器蛇；

§1
机器蛇介绍；
仿生机器人的研究是目前机器人领域里比较活跃的一个方向，目前已有各种各样的仿生机器人面世，像机械昆虫、机器鸟、机器鱼、机械蟹等等……。生物界中蛇是一种极为特殊的生物，它的运动形式非常的特别。蛇没有脚，他怎么就能向前“走”了呢？这个看似简单的问题，从古代便吸引了众多人的注意。亚里士多德就曾经在他关于动物运动的文章中讨论过蛇向前运动的原因。但直到 20 世纪中期以前，许多人的理论都很偏驳，他们认为蛇是靠他们的“脚”（鳞片）来向前运动的。近 20 年来。随着机器人学兴起，特别是仿生机器人的活跃，蛇运动的研究，机器蛇的研制,已成为仿生领域的研究热点。蛇形机器人在战场上的扫雷，爆破，矿井和废墟中探测营救，管道维修以及外行星地表探测等条件恶劣，且要求有高可靠性的领域有着广阔的应用前景。另外，研究仿生机器人，特别是蛇形机器人的本身会有很大的乐趣，当你看到刚体的金属或者塑料结构在控制下变得有柔顺而富有生命时，那种喜悦是难以言表的。我们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，建立了蛇的行波运动学模型，并研制了自己的机器蛇样机——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。在电路设计上采用“分布式底层运动控制——高层中枢决策”的控制逻辑，通过 RS232 总线通讯。上位机为 PC 机控制，PC 机可以控制主机，调用运动模式库，实现对 solid snake- II 的高层控制；也可直接控制 solid snake 的各个关节，实时的改变任意关节的状态，实现底层控制。
SolidSnake SOLID SNAKE 的主要技术参数：参数单元体长度全长直径净重值 110mm 0.98m 50mm 1kg
最大速度平均功耗 8-10m/min 25W

仿生四足机器人的研究：回顾与展望(3)

仿生四足机器人的研究：回顾与展望摘要：本文侧重于仿生四足机器人。在这一领域的主要挑战是如何设计高动力性和高负载能力的仿生四足机器人。本文首先介绍了仿生四足机器人，尤其是具有里程碑意义的四足机器人的历史。然后回顾了仿生四足机器人驱动模式的现代技术。随后，描述了四足机器人的发展趋势。基于仿生四足机器人的技术现状，简要回顾了四足机器人的技术难点。又介绍了山东大学研制的液压四足机器人。最后是总结和展望未来的四足机器人。一、导言代替人类在复杂和危险的环境中工作的移动机器人的需求引起越来越多的关注，如煤矿井下，核电站，以及打击恐怖主义的战争。一般移动机器人可分为三种类型：空中机器人，水下机器人和地面机器人。地面机器人的开发主要是运用轨道或轮子。轮式和履带式机器人可以在平整地面工作，但大多数是无法在凹凸不平的地面上工作。换句话说，现有的地面机器人只能在部分地面工作。与轮式和履带式机器人相比，腿式机器人有可能适应更为广泛的地形，就像如同有腿的动物，几乎可以行走在所有的地形。例如，羚羊具有很强的运动能力，即便在高度复杂的环境中也一样。因此，近些年人们积极地投入腿式机器人的研究中。腿式机器人可以去动物能够到达的地方，应该要构建并运用于实际。尽管机器人技术领域取得了巨大成就，腿式机器人仍然远远落后于它们的仿生学 [1，2]。基于机械结构，腿式机器人可分为步行机器人和爬行机器人。与爬行动物的机器人相比，步行机器人几乎与躯干垂直的腿被认为更适应载重。步行机器人可以有效地承受更大的载重。具有联合执行机构的步行机器人具有良好的行走速度和运输能力。因此，基于哺乳类动物的仿生机器人的研究已成为机器人领域的重要发展方向。现已有一、二、三、四甚至更多条腿的腿式机器人。最普遍的是具有高效率步态和稳定性能的偶数条腿的腿式机器人[3]。在腿式机器人中，四足机器人具

仿生蜘蛛机器人的设计与研究

毕业设计（论文）仿生蜘蛛机器人的设计与研究姓名：寇艳虎学号：专业：机械工程与自动化系别：机械与电气工程系指导教师：孔繁征 2021年4月

摘要本文总结了背景和目标,仿生蜘蛛机器人的简单介绍。通过研究机器人的六足仿生的运动,这种设计已确定脚结构,使用3自由度的分析实现向前运动,把运动的机器人。想象的组件和装配映射仿生蜘蛛机器人以与相关部件的检查,确保机械设计的可行性都包含在总设计。关键词：仿生；机器人；机构

ABSTRACT The paper has summarized the background and the goal of its topic and has made the simple introduction of the bionic hexapod robot. Through the research of the motion of the six feet of the robot, This design has determined the foot structure，using the analysis of 3 degrees of freedom realizes the forward motion and turning motion of the robot . Picturing of the component and assembly mapping of the bionic hexapod robot as well as the inspection of related parts which ensures the feasibility of the machinery design are both included in the total design. KEYWORDS：bionics ；hexapod robot ；machinery

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

仿生机器人的研究现状及其发展方向

学号1210111188 论文题目仿生机器人的研究进展及发展趋势学生姓名颛孙鹏院别机械工程学院专业班级12机自（3）班指导教师周妍

仿生机器人的研究进展及其发展趋势摘要：随着机器人智能化技术的进步，机器人应用领域的拓展,仿生机器人的研究正在引起世界各国研究者的关注。主要对仿生机器人的国内外研究状况进行了综述并对其未来的发展趋势作了展望。关键词：仿生机器人；研究现状；发展方向人们对机器人的幻想与追求已有3000多年的历史，人类希望制造一种像人一样的机器，以便代替人类完成各种工作。1959年,第一台工业机器人在美国诞生，近几十年，各种用途的机器人相继问世，使人类的许多梦想变成了现实。随着机器人工作环境和工作任务的复杂化，要求机器人具有更高的运动灵活性和在特殊未知环境的适应性，机器人简单的轮子和履带的移动机构已不能适应多变复杂的环境要求。在仿生技术、控制技术和制造技术不断发展的今天，仿人及仿生物机器人相继被研制出来，仿生机器人已经成为机器人家族中的重要成员。 1 仿生机器人的基本概念仿生机器人就是模仿自然界中生物的外部形状、运动原理和行为方式的系统,能从事生物特点工作的机器人。仿生机器人的类型很多,主要为仿人、仿生物和生物机器人3大类。仿生机器人的主要特点:一是多为冗余自由度或超冗余自由度的机器人,机构复杂;二是其驱动方式有些不同于常规的关节型机器人,通常采用绳索、人造肌肉或形状记忆合金等驱动。 2 仿生机器人的国内外研究现状 2.1 水下仿生机器人水下机器人由于其所处的特殊环境，在机构设计上比陆地机器人难度大。在水下深度控制、深水压力、线路绝缘处理及防漏、驱动原理、周围模糊环境的识别等诸多方面的设计均需考虑。以往的水下机器人采用的都是鱼雷状的外形，用涡轮机驱动，具有坚硬的外壳以抵抗水压。由于传统的操纵与推进装置的体积大、重量大、效率低、噪音大和机动性差等问题一直限制了微小型无人水下探测器和自主式水下机器人的发展。鱼类在水下的行进速度很快，金枪鱼速度可达105km/h，而人类最快的潜艇速度只有84km/h。所以鱼的综合能力是人类目前所使用的传统推进和控制装置所无法比拟的，鱼类的推进方式已成为人们研制新型高速、低噪音、机动灵活的柔体潜水器模仿的对象。仿鱼推进器效率可达到70%～90%，与水的相对速度比螺旋桨推进器小得多，有效地解决了噪音问题。美国麻省理工学院和日本都研制出了仿鱼机器人。在国内，中科院沈阳自动化研究所和北京航空航天大学机器人研究所已研制了机器鱼样机。

仿生机器人概述

仿生机器人概述一、仿生机器人的定义简单来说，仿生机器人就是模仿自然界中生物的外部形状或某些机能的机器人系统。从本质上来讲,所谓“仿生机器人”就是指利用各种机、电、液、光等各种无机元器件和有机功能体相配合所组建起来的在运动机理和行为方式、感知模式和信息处理、控制协调和计算推理、能量代谢和材料结构等多方面具有高级生命形态特征从而可以在未知的非结构化环境下精确地、灵活地、可靠地、高效地完成各种复杂任务的机器人系统.（摘自《仿生机器人的研究》许宏岩,付宜利,王树国,刘建国著）二、对仿生机器人的理解仿生机器人是一个很宏大的概念，字面上讲任何模仿自然界生物的机器都可以称之为仿生机器人。但是根据诸多文献的定义，现在人们倾向于将第四代及之后的机器人称之为仿生机器人，也就是2000年之后产生的机器人。我认为这样界定的根据在于第四代机器人具有了完备的感知能力和面对简单问题时的处理能力，如现在的两足机器人能够根据地形的变化自行调整行走模式，从容的绕开障碍物并且保持重心平衡，而这是以前的机器人所无法实现的。所以我们认为这时的机器人初步具有了人的智力，可以与生物的智能相比拟，是仿生机器人。三、仿生机器人的产生前提与发展动力生物在经过了千百万年的进化之后,由于遗传和变异的原因,已经形成了从执行方式、感知方式、控制方式,一直到信息加工处理方式、组织方式等诸多方面的优势和长处.仿生机器人这门学科产生和存在的前提就在于,生物经过了长期的自然选择进化而来,在结构、功能执行、信息处理、环境适应、自主学习等多方面具有高度的合理性、科学性和进步性.而非结构化的、未知的工作环境、复杂的精巧的高难度的工作任务和对于高精确度、高灵活性、高可靠性、高鲁棒性、高智能性的目标需求则是仿生机器人提出和发展的客观动力.（摘自《仿生机器人的研究》许宏岩,付宜利,王树国,刘建国著）生物在漫长的进化过程中演变出的无比精巧、合理的结构，是目前人类所有的理论和技术都无法达到的。任何由人类设计的堪称完美的结构，放到自然界的生物面前，都相形见绌。因此，研究现成的最优化、最完美的生物体就成为人类设计机械最廉价、最可靠的范本，由此诞生了仿生学这一专门的学科，而仿生机器人则是机械与仿生学两者结合的最佳产物。这也是仿生机器人产生的前提与发展的动力。四、仿生机器人的现状

蛇形机器人的研究与发展

龙源期刊网 https://www.360docs.net/doc/6d18533723.html, 蛇形机器人的研究与发展作者：谢哲东张添一来源：《农业与技术》2017年第19期摘要：随着仿生技术的不断进步，机器人领域的不断拓展，仿生机器人的研究逐渐成为各位学者、专家关注的焦点，这也大大扩展了机器人的应用领域。本文阐述了蛇形机器人应用背景和发展现状，并根据当前国内外的研究现状对其展望了未来的发展趋势。关键词：蛇形机器人；国内外发展；应用领域；发展趋势中图分类号：TP24 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20171032031 引言随着生物的不断进化，如今的生物都具有很强的运动能力和环境适应能力，这引起许多科学家的注意，而随着仿生学的不断进步，仿生机器人便应运而生。而生物蛇由于其细长的身体结构及特有的活动方式，具有很强的环境适应能力和在地面稳定运动的特点，在机器人领域中是特有的存在。它特有的优势使它拥有广阔的发展前景。身体紧贴地面、降低重心的爬行运动模式使其运动具有较强的稳定性；通过身体的摆动与地面产生摩擦，从而获得前进动力的运动方式具有自主可调控的避障越障的能力；细长的身体和多种运动步态使其可以通过多种崎岖复杂的路段，甚至具有攀爬立柱的运动能力；由于蛇形机器人能够在人类难以到达的未知环境中工作，具有隐蔽性，增加安全系数，减少人力，减少因疲劳所带来的一系列误差等因素，能够把人从繁重、危险、单调乏味的工作环境中解脱出来，代替人完成人类主观想要完成的复杂作业。因此被广泛应用到军事领域、科学探险、救灾抢险、工业检测等多个领域，具有广泛的应用前景。军事领域（反恐防暴）：在战场，可以将雷达检测器应用在蛇形机器人身上，通过蛇形机器人的快速运动已达到迅速扫雷、避雷的作用。同时，因为蛇形机器人细长的身体结构，在战场或者谍报工作时具有一定的隐蔽性，以达到探测、窃取情报甚至起到定点引爆的工作。民用领域（救灾抢险）：因为蛇形机器人具有超强的环境适应能力，所以可以在一定恶劣的环境，例如：毒气、粉尘、辐射、高温，低温等条件下仍然具有很强的工作执行能力；在灾后废墟中抢救、寻找幸存者能发挥巨大的高效作用。工业领域（检测）：可对地下管道进行故障勘探，查出堵塞点，甚至可以疏通堵塞管道。其他领域：在太空中对航天器等外部零件的维修作业；对未探索，具有一定危险系数的星球进行地质勘探发送资料和影像，提高工作人员的安全效率。

浅谈仿生机器人的发展

《学科前沿》论文浅谈仿生机器人的发展机器人技术作为一门新兴学科，在工业飞速发展的今天扮演着非常重要的作用，而其发展与机械电子、机电一体化、控制原理等多学科的发展息息相关。仿生机器人作为机器人领域的一大分支，可以说是本世纪一个不可忽视的领域，也将是机器人日后发展的大方向。仿生学是20世纪60年代出现的一门综合性边缘学科,它由生命科学与工程技术科学相互渗透、相互结合而成。它在精密雷达、水中

声纳、导弹制导等许多应用领域中都功不可没。仿生学将有关生物学原理应用到对工程系统的研究与设计中,尤其对当今日益发展的机器人科学起到了巨大的推动作用。当代机器人研究的领域已经从结构环境下的定点作业中走出来,向航空航天、星际探索、军事侦察攻击、水下地下管道、疾病检查治疗、抢险救灾等非结构环境下的自主作业方面发展.未来的机器人将在人类不能或难以到达的已知或未知环境里为人类工作。人们要求机器人不仅适应原来结构化的、已知的环境,更要适应未来发展中的非结构化的、未知的环。除了传统的设计方法,人们也把目光对准了生物界,力求从丰富多彩的动植物身上获得灵感,将它们的运动机理和行为方式运用到对机器人运动机理和控制的研究中,这就是仿生学在机器人科学中的应用。这一应用已经成为机器人研究领域的热点之一,势必推动机器人研究的蓬勃展。自然界生物的运动行为和某些机能已成为机器人学者进行机器人设计、实现其灵活控制的思考源泉，导致各类仿生机器人不断涌现。仿生机器人就是模仿自然界中生物的外部形状或某些机能的机器人系统。仿生机器人的类型很多,按其模仿特性分为仿人类肢体和仿非人生物两大类。由于仿生机器人所具有的灵巧动作对于人类的生产和科学研究活动有着极大的帮助,所以,自80年代中期以来,机器人科学家们就开始了有关仿生机器人的研究。仿人型步行机器人是目前机器人技术的前沿课题,是具有挑战性的技术难题之一。日本本田公司和大阪大学联合推出的P2和P9型仿人步行机器人代表了当今世界的最高水平。仿非人生物机器人的研究近二十年来一直是一个非常活跃的

蛇形机器人在障碍物环境中的运动研究

摘要蛇形机器人要走向实际应用，必须着力解决的首要问题是如何在复杂环境中运动以及实现适应环境的避障基础理论问题。本文致力于研究蛇形机器人在复杂环境中的避障运动。目前蛇形机器人普遍采用模块化结构，以便于设计安装和节约成本。蜿蜒运动是蛇形机器人通过各个模块间规律性的振荡推动整个蛇体运动的一种运动步态，是蛇形机器人运动效率较高的一种运动方式[1]。这种运动方式不同于普通的行走机器人，维护模块之间的规律性振荡产生蜿蜒运动使运动控制变得复杂，更增加了复杂环境中路径规划的难度。本文在蜿蜒运动理论基础上，基于几何法、人工势能法和改进后的人工势能法对蛇机器人在障碍物环境下的运动进行规划。利用几何方法探讨了通过规划蛇头与规划整个蛇体对蛇形机器人运动路径的影响，得到更有利于运动稳定性的规划方法，为人工势能法奠定基础。应用人工势能法中将障碍物赋予高势能产生排斥力，将目标赋予低势能产生吸引力，使蛇形机器人在排斥力与吸引力的作用下避开障碍物到达目标。在人工势能法中，蛇形机器人在纵向方向偏移障碍物的距离过大，这不仅浪费了能量，而且增加了运动时间。综合蛇形机器人前进方向与障碍物势能的关系，对人工势能法进行改进。将障碍物产生的排斥力组成的等势面改成椭圆形，不仅缩短了运动路径更提高蛇形机器人的运动稳定性。分析外力对蛇形机器人的运动方向及运动稳定性的影响，建立了避障过程中的力学理论。最后，通过3D 动力学模型模拟真实机器人在障碍物环境中的避障运动，验证了避障方法的可行性。本文的研究对蛇形机器人在障碍物环境中的路径规划具有推动作用，为蛇形机器人的应用奠定理论基础。关键词：蛇形机器人；障碍物；人工势能；运动；动力学

仿生蛇形机器人的设计及研究

仿生蛇形机器人的设计及研究摘要：对蛇的身体结构和运动形态进行了分析，掌握了蛇的运动模型，分析了蛇在蜿蜒运动过程中的受力情况。通过对蛇行运动的研究，结合结构设计、控制系统设计等，设计一条13关节的仿生机器蛇，实现蜿蜒前进、转弯、蜷缩、抬头等动作。并对仿生蛇的设计提出一些看法，结合实际，对其未来发展提出建议。关键词：蛇形机器人；结构设计；蜿蜒运动随着仿生学的发展，人们把目光对准了生物界，探索新的运动模式有了新的进展。蛇是无四肢动物中最庞大的一类，在几千年的进化历史中，它能进行多种运动以适应不同的生活环境（如沙漠、水池、陆地、树林等）。仿蛇形机器人就在这种背景下诞生了。蛇形机器人可适应各种复杂地形的行走，如在战场扫雷、侦测、爆破、矿井和废墟中探测营救、管道维修以及外行星地表探测等[1]，其性能优于传统的行走机构，在许多领域具有非常广泛的应用前景。本文通过对蛇的运动方式进行分析并就仿生蛇的关节结构进行设计，提出系统控制方案。 1 蛇类运动研究在自然界的不同环境中，生存着不同种类的蛇，它们的运动方式也有所不同，大致可分为以下几种：(1)蜿蜒运动：蛇体摆动近似于正弦波的规律，依靠腹部蛇鳞与地面的摩擦作用产生推动力。蜿蜒运动时，蛇体作横向的波动，形成若干个波峰和波谷，在弯曲处的后边施力于地面，沿从头部到尾部方向传播，由地面的反作用实现运动。(2)伸缩运动：在蛇通过长直的狭窄通道时常采用这种运动方式。该运动可分为两个节拍，先以前部作支撑，收缩肌肉向前拉后部，再以后部作支撑，通过肌肉收缩向前推动前部。这种运动的效率比较低。(3)侧向移动：这种运动常见于生存在沙漠中的蛇类。运动中蛇腹始终都只有很小的部分与地面接触，而相邻接触部分之间的躯体是抬起的，分顺序接触地面，然后抬起，依次循环，产生一个侧向的运动。这种运动的效率比较高，能获得较大的加速度，适合在柔软的沙地运动。在以上运动方式中，最常见的是运动效率最高的蜿蜒运动，然后是伸缩运动，侧向运动比较少见。通过对蛇的运动分析可见，无论哪一种运动方式，都可以看成是一系列的波形传递，。YZ平面沿Y方向上下运动，实现伸缩运动；XY平面沿Y方向左右运动，实现蜿蜒运动；如果YZ平面和XY平面沿Y方向进行空间复合运动，就产生所谓的侧向移动[2]。考虑仿生蛇设计的便利性，选择蜿蜒的运动方式，并假设以正弦波传递。可以知道在波形传递过程中各个关节相对旋转角度的变化，从而控制波形稳定地向前推进。蛇形机器人是一个多连杆系统，通过各相邻连杆的协调动作向前推进。Serpenoid[3]曲线己经被广泛应用到蛇形机器人上，以Serpenoid曲线为例对蛇形机器人的运动步态进行规划。Serpenoid是指一个穿过X-Y坐标系原点的曲线，如果满足以下条件，就可以被称为蜿蜒曲线：其中a、b、c三个参数将决定曲线的形状，通过改变Serpenoid曲线的这三个参数，既可以改变蜿蜒曲线的传播波型、传播幅度，也可以改变曲线的传播方向。由Serpenoid曲线的定义可得到N 关节组成的近似Serpenoid曲线蛇型机器人蜿蜒运动的角度。2 仿生蛇形机器人结构设计设计了仿生蛇形机器人三个部分的关节模型，分别是头部关节、驱动关节和尾部关节，并用计算机辅助设计软件UG NX7.0绘制出了各个关节的模型。蛇形机器人的加工材料有硬铝、PVC 塑料、ABS塑料、树脂等，考虑到机械加工性能、塑性、韧性、强硬度等，最终选定了光敏树脂。加工方法选择快速成型加工，其核心思想是离散堆积成型。运用激光快速成型技术，加上最适合该技术的光敏树脂材料，加工理想的关节实物[4]。2.1 仿生蛇形机器人驱动关节设计仿生蛇由13个关节串联而成，每个关节都具有一个独立的自由度，前3个关节(舵机11、12、8)负责蛇形机器人抬头和摇头动作，从第4个关节开始为驱动关节，通过关节(舵机)0、1、3、4、6、7、9、10相互配合完成蜿蜒运动，模拟蛇形曲线推动整个蛇形机器人身体的前进。关节(舵机)2、5完成转弯，蜷缩动作。图2所示即是运用UG NX7.0软件绘制的