蛇形机器人的转弯和侧移运动研究

轮式蛇形机器人设计及运动探析

赵岩

【期刊名称】《机器人产业》

【年(卷),期】2024()3

【摘要】本文主要研究了轮式蛇形机器人设计及运动内容,基于机械结构的约束,根据生物蛇蜿蜒运动曲线设计了三连杆轮式蛇形机器人运动模型。为强化轮式蛇形机器人设计水平,结合具体实验明确对机器人运行速度影响较大的因素。实验发现最大摆角和相位角是主要影响因素。采取多组别实验对比,采用表格记录方式分析最佳设计方案。最终发现,最大摆角为45°、相位角为20°的轮式蛇形机器人运行速度最快。

【总页数】5页(P81-85)

【作者】赵岩

【作者单位】大唐凉山新能源有限公司

【正文语种】中文

【中图分类】TP2

【相关文献】

1.基于多运动步态的蛇形机器人设计与研究2.一种波纹管蛇形机器人的结构设计及运动分析3.三连杆轮式蛇形机器人设计及运动分析4.蛇形供水管道机器人头部结构设计与运动学分析5.一种蛇形管道机器人结构设计及运动分析

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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。

一种拉线式蛇形机器人设计与研究

第３９卷第８期　２０１８年８月　中国农机化学报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　Ｍｅｃｈａｎｉｚａｔｉｏｎ　Ｖｏ１．３９　Ｎｏ．８　Ａｕｇ．　２０１８　

一种拉线式蛇形机器人设计与研究　

焦海坤，张添一，谢哲东　

（吉林农业大学工程技术学院，长春市，１３０１１８）　

摘要：蛇形机器人属于智能机器人的一种。通过对生物蛇的身形结构、爬行方式进行分析，对超冗余自由度进行合理匹　

配。提出一种拉线控制关节蛇形机器人，选择十字轴关节俯仰和侧航两个自由度并简化关节结构，具备空间灵活性强，响　应快，成本低等优点。对运动控制系统进行初步设计，本着模块化、轻量化设计理念，对关节和驱动单元模块进行结构设　

计，并利用ＣＡＴＩＡ软件对整体机进行虚拟装配姿态仿真，测出实现蛇形机器人三维运动的所需主要尺寸参数，对质量进　

行估算。　

关键词：蛇形机器人；结构设计；拉线；十字轴关节　

中圈分类号：ＴＰ２４２　文献标识码：Ａ　文章编号：２０９５－５５５３（２０１８）０８－００３３－０４　

焦海坤，张添一，谢哲东．一种拉线式蛇形机器人设计与研究ＥＪ－１．中国农机化学报，２０１８，３９（８）：３３—３６　

Ｊ　ｉａｏ　Ｈａｉｋｕｎ，Ｚｈａｎｇ　Ｔｉａｎｙｉ，Ｘｉｅ　Ｚｈｅｄｏｎｇ．Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ａ　ｃａｂｌｅ—ｄｒｉｖｅｎ　ｓｎａｋｅ—ｌｉｋｅ　ｒｏｂｏｔ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　

Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　Ｍｅｃｈａｎｉｚａｔｉｏｎ，２０１８，３９（８）：３３—３６　

０　引言　

蛇形机器人是最为常见的智能机器人之一，随着　

工业水平不断提高，对于机器人要求也随之提高，自　

由度多的机器人具有灵活性，进而提升应用范围和　

工作空间，具备避障能力和远程处理能力＿１　；蛇形机　

器人由于其细长形体结构及独特运行方式，能够在　

弯曲的树枝上进行缠绕、爬行等动作。配备环境感　

蛇形机器人的运动分析以及步态研究

谭启明;何振勇;陈然

【摘要】近年来,蛇形机器人作为一类有重要应用前景的仿生机器人受到了国内的广泛关注,并取得了很多进展.蛇形机器人跟传统的两足式机器人或者履带机器人比较,具有更好的运动稳定性和环境适应能力.蛇形机器人是一种新型的仿生机器人,与传统的轮式或两足步行式机器人不同之处在于,它实现了像蛇一样的基本运动模式.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模型,并对该机器人的基本步态进行了分析研究,对其前进的方式进行了数学建模设计,为该蛇形机器人在具体设计制造前提供了理论分析基础.

【期刊名称】《电子设计工程》

【年(卷),期】2013(021)011

【总页数】4页(P43-45,49)

【关键词】蛇形机器人;运动分析;步态分析;刚性连杆

【作者】谭启明;何振勇;陈然

【作者单位】华南理工大学广东广州510640;华南理工大学广东广州510640;华南理工大学广东广州510640

【正文语种】中文

【中图分类】TP242

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。它独特的蜿蜒爬行方式使其在各种生态条件下都随遇而安、运动迅速自如。适合在水下地下管道，凹凸不平的表面，墙壁之间的狭小裂缝，桥梁缆索等特殊环境下作业、具有广泛的应用前景。文中提出了一种7关节6连杆的蠕动仿生蛇形机器人，其为行波传递运动方式，下面我将对这种机器人进行研究。

1 蛇形机器人的模型结构设计与步态研究

每个关节长度为：a，质量为：m，初步模拟有7个关节。电机减速器安装在其轴线上，杆件的重量相当于关节来说可以忽略不计，因此转轴中心作为杆件的质心，其在表面上蠕动进行时，它的简化模型如图1中的蛇形蠕动前行[1]。（图2只给出了3节的运动分析）首先研究的是3动杆的运动步态，做模拟的运动图解如图1。

首先点P0沿着X轴前进，其他点P i（i≥2）固定不动；于此同时，杆件P0 P1与X轴之间的夹角α从0°到达给定的角度α0。

蛇形机器人的研究与发展综述

苏中;张双彪;李兴城

【摘要】A literature survey of researches on snake-likes was provided

regarding morphology, modeling of kinematics and dynamics,locomotion

control and stability.The analyses and summary were made according to

the two-dimensional and three-dimensional locomotions.Classifications of

snake-like robots were presented due to the differences of structures and

movement types.Finally, the development of snake-like robots in future

was predicted.%对国内外蛇形机器人进行了研究和分析，将其分为形态研究、运动学和动力学模型、步态控制及稳定性等研究内容，从二维运动和三维运动角度，对研究内容进行了综述、分析和总结。结合蛇形机器人的结构和运动步态特点，对国内外研制的蛇形机器人进行了分类，最后对蛇形机器人的研究发展进行了展望。

【期刊名称】《中国机械工程》

【年(卷),期】2015(000)003

【总页数】12页(P414-425)

【关键词】运动步态;运动学;动力学;控制方法;稳定性

【作者】苏中;张双彪;李兴城

【作者单位】北京信息科技大学，北京，100101; 北京理工大学，北京，100081;北京理工大学，北京，100081;北京理工大学，北京，100081

【正文语种】中文【中图分类】TP242

随着科技的不断发展，蛇形机器人作为新型可移动的柔性机器人，以其具有多步态运动能力，且能够适应复杂多变的环境的特点，成为机器人领域的一个研究热点。特别地，蛇形机器人的易于伪装、隐蔽性高、结构紧密和高集成化等特点，使其能够满足侦察、巡逻等军事需求，并且可通过空中投放到敌方阵地，利用自身携带的图像采集设备，完成侦察任务。未来的蛇形机器人还可装备一定的弹药，完成攻击或自爆等任务。

蛇形机器人的运动分析以及步态研究 2

第２１卷　Ｖ０１．２１　第１１期　Ｎｏ．１１　电子设计工程　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　２０１３年６月　Ｊｕｎ．２０１３　

蛇形机器人的运动分析以及步态研究　

谭启明，何振勇，陈然　

（华南理工大学广东广州５１０６４０）　

摘要：近年来，蛇形机器人作为一类有重要应用前景的仿生机器人受到了国内的广泛关注，并取得了很多进展。蛇形　

机器人跟传统的两足式机器人或者履带机器人比较，具有更好的运动稳定性和环境适应能力。蛇形机器人是一种新　

型的仿生机器人．与传统的轮式或两足步行式机器人不同之处在于，它实现了像蛇一样的基本运动模式。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模型。并对该机器人的基本步态进行了分析研究，对其前进的方　

式进行了数学建模设计，为该蛇形机器人在具体设计制造前提供了理论分析基础。　

关键词：蛇形机器人；运动分析；步态分析；刚性连杆　

中图分类号：ＴＰ２４２　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７４—６２３６（２０１３）１１－００４３—０３　

ＫｉｎｅｍａｔｉＣＳ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｇａｉｔ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　ｓｎａｋｅ－ｌｉｋｅ　ｒｏｂｏｔ　

ＴＡＮ　Ｑｉ－ｍｉｎｇ，ＨＥ　Ｚｈｅｎ－ｙｏｎｇ，ＣＨＥＮ　Ｒａｎ　

（Ｓｏｕｔｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　５　１０６４０，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｒｅｃｅｎｔ　ｙｅａｒｓ，ａｓ　ａ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｓｎａｋｅ　ｒｏｂｏｔ　ｈａｖｉｎｇ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｐｒｏｓｐｅｃｔ　ｈａｓ　ａｔｔｒａｃｔｅｄ　ｗｉｄｅ　ａｔｔｅｎｔｉｏｎ　ｏｆ　

ｄｏｍｅｓｔｉｃ，ａｎｄ　ｍａｄｅ　ａ　ｌｏｔ　ｏｆ　ｐｒｏｇｒｅｓｓ．Ｓｎａｋｅｌｉｋｅ　ｒｏｂｏｔ　ｉｎ　ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｗｉｔｈ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｂｉｐｅｄ　ｒｏｂｏｔ　ａｎｄ￣ａｃｋｅｄ　ｒｏｂｏｔ，ｈａｓ　ｂｅｔｔｅｒ　

一种可重构蛇形机器人的研究

可重构蛇形机器人（Reconfigurable Snake-like Robot）是一种基于蛇形形态的机器人设计，它具有自主变形能力的特点。这种机器人能够通过改变自身的形态和结构，适应不同的环境和任务需求。在现代机器人技术的发展中，可重构蛇形机器人被广泛应用于各种领域，如救援、勘测、管道探测等，具有广阔的应用前景。

可重构蛇形机器人的研究可以从以下几个方面展开：

1.结构设计：可重构蛇形机器人的结构设计是其重要组成部分。机器人的主体由多节连杆组成，每个连杆之间都能够自由运动，从而实现机器人的变形。这种设计可以通过电机、液压或气动等方式驱动每个连杆的运动，使机器人具备更大的灵活性和可控性。

2.运动控制：机器人的运动控制是可重构蛇形机器人研究的关键技术之一、通过对每个连杆的运动进行精确控制，机器人可以实现多种运动形式，如爬行、攀登、转向等。这些运动模式可以通过传感器来实时感知环境，并通过算法进行运动规划和控制。

3.自主感知与决策：为了使机器人能够适应不同的环境和任务需求，可重构蛇形机器人需要具备自主感知与决策的能力。通过搭载各种传感器，如摄像头、超声波、激光雷达等，机器人可以实时感知周围的环境信息，如障碍物位置、形状和距离等。同时，机器人还需要具备自主决策的能力，能够根据感知到的信息，做出相应的运动和形态变换决策。

4.智能控制算法：可重构蛇形机器人的运动控制和形态变换需要依靠智能控制算法的支持。通过采用机器学习、遗传算法、强化学习等先进的控制算法，可以使机器人具备更加智能化的行为和决策能力。这些算法可以根据机器人的运行环境和任务需求，对运动控制和形态变换进行优化和自适应调整，从而提高机器人的运动效率和适应能力。

5.应用领域：可重构蛇形机器人在应用领域上具有广泛的潜力。在救援领域，机器人可以通过变形的能力，适应各种复杂的环境，如狭窄的通道、倾斜的地面等，实施搜救行动。在勘测领域，机器人可以利用其变形能力，穿越地下管道，进行管道检测和维护。此外，可重构蛇形机器人还可以应用于工业自动化、冶金等领域，提高作业效率和工作安全性。

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：

仿生机器蛇的设计与仿真

【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

仿生机器蛇的设计与仿真

【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

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. 05

¹º»

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。

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。