蛇形机器人的运动分析以及步态研究
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
ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ａｂｉｌｉｔｙ ｔｏ ａｄａｐｔ ｔｏ ｔｈｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｓｎａｋｅ－ｌｉｋｅ ｒｏｂｏｔ ｉｓ ａ ｎｏｖｅｌ ｂｉｏｎｉｃ ｒｏｂｏｔ，ａｎｄ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｗｈｅｅｌ ｏｒ ｂｉｐｅｄ ｗａｌｋｉｎｇ
ｒｏｂｏｔ ｉｓ ｄｉｆｅｒｅｎｔ，ｉｔ ｈａｓ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｐａｔｔｅｒｎｓ ｌｉｋｅ ｓｎａｋｅｓ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ７ ｊｏｉｎｔ ｏｆ ａ ｓｉｍｉｌａｒ ｓｉｎｅ ｗａｖｅ
ｔｈｒｅｅ ｒｏｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｓｎａｋｅ－ｌｉｋｅ ｒｏｂｏｔ ｍｏｄｅｌ，ａｎｄ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｇａｉｔ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ，ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ
ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ｗａｙ ｆｏｒｗａｒｄ，ａｓ ｔｈｅ ｓｎａｋｅ ｒｏｂｏｔ ｉｎ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｏｆ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ａ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｎａｋｅ－ｌｉｋｅ ｒｏｂｏｔ；ｍｏｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｇａｉｔ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｒｉｇｉｄ ｒｏｄ
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 轴前进，其他点Ｐｉ（ｉＩ＞２）固定不动；于
此同时，杆件Ｐ０ Ｐｌ与 轴之间的夹角 从０。到达给定的角
度％。
在初始阶段， 尸ｌ和尸１ Ｐ２运动，它们与Ｘ轴之间形成等
收稿日期：２０１３—０３—１５ 稿件编号：２０１３０３１９０
作者简介：谭启明（１９８７一），男，湖南郴州人，硕士研究生。 腰三角形，在该阶段结束时，三角形的底脚为（图１中的阶段
Ｃ），除了Ｐ１其他点均位于 轴上。
下一阶段，尸０ ＰＩ、ＰＩ Ｐ２和Ｐ２ Ｐ３为动杆，点Ｐ０和 （ ≥３）均
保持不动，夹角Ｏｔ从 。变为Ｏ。，与此同时尸２ 与 轴的夹
角 从０。到达给定的角度０１０（图ｌ中的阶段ｄ）；当这一阶段
结束时，系统处于状态ｅ；Ｐｌ Ｐ２、Ｐ２ Ｐ３与 轴之间成等腰三角
形，除了Ｐ２外，其他点均位于 轴上。
重复以上的过程，将会发现当一个阶段完成后．除了三
角形的顶点外，其他的点均位于Ｘ轴上。顶点和三角形将会
逐渐向右移动；最后点Ｂ将会成为三角形的顶点（如图１中
的阶段 ，夹角Ｏｔ从Ｏｔｏ变为０。，整个系统恢复为直线状态ｇ
（如图１中的阶段ｇ）。在这一个运动周期，整个系统沿Ｘ轴的
位移Ｌ等于点Ｐ０从 状态ａ到状态ｂ的位移。因此有：Ｌ＝２ａ
（１－ｃｏｓ％）。 其中，ａ为杆长。
下面我们进行系统的步态分析，为以后的仿真测试做准
备，我们把系统杆件的数量设为可扩展的Ⅳ，进行一个普遍
的多杆蛇形机器人的步态分析［２１。
１．１蛇形机器人的步态与位移分析 从图２可知，在波形传递阶段，动点为 和 ＋ （１≤ ≤
研究方向：机器人、嵌入式系统。
—．
４３－ 《电子设计工程）２０１３年第１１期
／ 一， ： ４ ６， ／ ．、 ５， ）ｄ
、 ＼ 、 一， ＼
５， ６ 、 ， ｅ 一， ＼ ｒ．Ｊ 、 ， 、 ＼
１ ２，、 ３ ｒ－ｘ 、 ． ／ 一、 ｆ 、 ＼＿ ： ： － ： １， 、 ２人 ３ ４， ５ ６ ｎ ＼ 、 ＂４ｔ 、 ｌ Ｉ Ｉ ・ ● ’ ● ● ’
图１ 蛇形机器人三动杆的步态分析 Ｆｉｇ．１ Ｇａｉｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｓｎａｋｅ－ｌｉｋｅ ｒｏｂｏｔ ｔｈｒｅｅ ｍｏｖｉｎｇ ｒｏｄ
Ⅳ一１），其他点静止不动，则我们可以将 一 、只 ＋ ＋２简ｄ＝ａ＋ｃｏｓｃｔｏ，那么波峰过渡阶段可划分为如图２所示的４个阶
化为如图２的连杆机构， ＋ 和 之间的距离ｄ是固定的， 段，初始位置为图１中的ｃ阶段结束位置为图１中的过程ｅ。
图２三杆件的运动的４个状态 Ｆｉｇ．２ Ｆｏｕｒ ｓｔａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ｒｏｄ ｍｏｖｅｍｅｎｔ
ｙ
Ｐｌ＋２、 ｄ 一 Ｉ ｊ
图３ ３杆件的矢量四边形 Ｆｉｇ．３ Ｔｈｒｅｅ ｍｅｍｂｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｖｅｃｔｏｒ ｑｕａｄｒｉｌａｔｅｒａｌ 由图３所示的封闭矢量四边形 １ 得：
ｌ，ａｔ ｔＯａ ． Ⅲ ａｅ＋ａｅ＝ｃｌ＋ａｅ 其在 、ｌ，轴上分解得：
｛： ：
消去 后得：
Ｅｃｏｓｏｔ２＋Ｆｓｉｎａ２＋Ｇ＝Ｏ
解出：
ｏｔ４＝２ａｒｃｔ ｇ—Ｆ＋—Ｎ％ ／Ｅ ２＋一Ｆ２－Ｇ
一４４一 （１）
（２）
（３）
（４） 式中Ⅳ为符号系数， ＋ 一。 三顶点的顺序为逆时针
方向，Ⅳ－一１；顺时针方向Ｎ＝Ｉ；这是按照右手直角坐标系制定
的，如为左手坐标系，则判别Ｎ符号的规则上相反。
又由公式（２）可以解得：
ｏｔ２＝ａｒｃｔｇ （５） ￣＇ｂａｃｏｓＯ［４－－ａｃｏｓｏ［１ Ｅ＝２ａ２ｃｏｓａ】一２ａｄ＝２ａ２ｃｏｓ 一２ａｄ （６）
ｆ＝２ａ２ｓｉｎｏｔ１＝２ａ２ｓｉｎ ｌ （７）
Ｇ＝ａ２＋ｄ２—２ａｄｃｏｓａｌ＝ａ２＋ｄ２－２ａｄｃｏｓ ｌ （８）
通过式（６）、式（７）和式（８）可以将连杆的各个角度均由
表示，对研究其角度关系提供基础。
１．２蛇形机器人各连杆间的相对角位移 由图３设各已知只＋。 相对 只 的转角ＪＢ ，则各连杆
的相对转角都可用 来表示，由图３的几何关系可以推导出
以下的角速度关系式：
（９）
谭启明。等 蛇形机器人的运动分析以及步态研究
由式９可以得出，各个转角关系都可以用Ｊ９１表示，则按
照角度设计蛇形机器人的旋转驱动可以设置转角ＪＢ 为变量
的函数［３１。
１．３蛇形机器人设计
有前文推导可以设计蛇形机器人的旋转函数，只涉及转
角 与 ，其他连杆由于其为刚性连杆，并且通过旋转铰链
相连，则可以连带转动，整个蛇形机器人前进一步的具体设
计分为３大部分 ：
１）过程一： 杆０—１沿着右端点２处旋转副做向Ｘ轴正方向的顺时
针旋转，点１不固定在地面上，其他点均施加大的摩擦力固
定在地面上．旋转到杆１—２与 轴负方向成６０。时停止转动，
运动的过程中点０设置为高副滑动，如图４所示。
图４过程一：步态设计图 Ｆｉｇ．４ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｌ：Ｇａｉｔ ｄｅｓｉｇｎ 在此过程中，只设计端点１处的旋转角度的函数．通过
此函数，可以使蛇形机器人尾部抬起一定角度。由于研究机
器人的步态过程，对其加速度和速度先进行忽略处理。只研
究端点１的转角度数与时间的函数，建立缓慢变化的阶跃函
数，其函数表达式可以表示为：
Ｙ为端点１角度变化（度）， 为时间（秒）：
Ｏ ３Ｑ 一３０ ６０ －６０ｘ＋３００ —１２０ （０≤ ＜１） （１≤ ＜３） （３≤ ＜４） （１０） （４≤ ＜７） （ ≥７）
在此还要说明的是，在４ Ｓ之前，端点２不受函数控制，
为自由铰链，在４ Ｓ之后执行式ｌ２的函数，转动端点２。
之后的运动，为循环每个端点的阶跃函数，定义域一直
向后平移，直至蛇形机器人的波形向最后一节移动。
２）过程二： 到最后连杆４—５沿着左边端点４向 轴正方向做顺时
针旋转，最后端点６做与地面接触的高副运动，如图５所示。
图５过程二：步态设计图 Ｆｉｇ．５ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｌ：Ｇａｉｔ ｄｅｓｉｇｎ 在过程二中，可以只设计端点２处的转角函数．通过转 动端点２处的角度，其他刚性杆随之运动，在此过程中端点１
处由过程一结束时的锐角变为钝角（转过了１８０。），所以在端
点ｌ处的转角函数处加上式（１１）的后两式，此处端点２的转
角函数与端点１的转角函数形状相同，只是定义域向右平移
了转角一运动的一半过程。
Ｙ为端点２角度变化（度）， 为时间（秒）：
０ ３Ｏ 一３０ ６Ｏ 一６ ＋３００ —１２Ｏ （４≤ ＜５） （５≤ ＜７） （７≤ ＜８） （１１） （８≤ ＜１１） （ ≥１１） 在此还要说明的是，在４ Ｓ之前，端点２不受函数控制，
为自由铰链，在４ Ｓ之后执行式（１２）的函数，转动端点２。
之后的运动，为循环每个端点的阶跃函数，定义域一直
向后平移，直至蛇形机器人的波形向最后一节移动 。
３）过程三：
到最后连杆４—５沿着左边端点４向Ｘ轴正方向做顺时
针旋转，最后端点６做与地面接触的高副运动，如图６所示。 ｌ ｌ Ｉ ｌ ＿ Ｉ 。５ 。
图６过程三：步态设计图 Ｆｉｇ．６ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｌ：Ｇａｉｔ ｄｅｓｉｇｎ 当波形运动到最后一个端点５时，端点５的运动开始时 间为２０ Ｓ，则此端点的转动角度函数。
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
基于Webots的蛇形机器人蜿蜒步态规划及偏移补偿
基于Webots的蛇形机器人蜿蜒步态规划及偏移补偿
作者：郝晴 安康 徐颖
来源：《上海师范大学学报·自然科学版》2021年第04期
摘 要： 仿生蛇形机器人对复杂环境具有良好的适应性，应用前景广泛.针对蜿蜒运动初始时刻的突变问题和运动过程中存在的偏移问题，提出优化方程，并对蜿蜒运动步态进行规划，研究了模型参数对机器人运动速度、偏移的影响，分析运动控制参数，并对运动步态偏移进行补偿.通过Webots仿真实验表明：运动控制参数决定了蛇形机器人的运动形状、偏移量及转弯特性，可以有效避免侧向偏移，对蛇形机器人高效的运动控制具有较为重要的借鉴意义.
关键词： 蛇形机器人; 蜿蜒运动; 步态规划; 偏移补偿; Webots仿真
Abstract： The bionic snake-like robot with good adaptability to complex environment had a
wide application prospect. Aiming at the abrupt change at the beginning of serpentine movement and
the deviation in the process of movement， the optimal equation was put forward and the gait of
serpentine movement was planned in this paper. Then research was focused on the analysis of
parameters in motion equation which had an important influence on velocity and migration of snake-like robot and the compensation of motion gait offset was implemented. Finally， Webots simulation
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。
灵活的软体蛇形机器人
龙源期刊网
灵活的软体蛇形机器人
作者：本刊广州编辑部
来源：《孩子·小学版》2019年第11期
虽然没腿没脚，但是凭借其光滑的身体，蛇可以每小时滑行14英里，并且还能挤进各种狭小的空间，上树遁地都不在话下。它是如何做到的呢？
蛇的运动主要有三种方式：一种是蜿蜒运动，所有的蛇都能以这种方式向前爬行。爬行时，蛇体在地面上作水平波状弯曲，使弯曲处的后边施力于粗糙的地面上，由地面的反作用力推动蛇体前进，如果把蛇放在平滑的玻璃板上，那它就寸步难行了。第二种是履带式运动，蛇没有胸骨，它的肋骨可以前后自由移动，这种运动方式产生的效果是使蛇身直线向前爬行，就像坦克那样。第三種方式是伸缩运动，在地面爬行比较缓慢的蛇，如铅色水蛇等，在受到惊动时，蛇身会很快地连续伸缩，加快爬行的速度，给人以跳跃的感觉。
在今年，哈佛大学的科学家们已经研发出一种蛇形机器人，可以像蛇一样运动。蛇形机器人的表面采用一种古老的日本纸制切割工艺。该团队尝试了各种形状的切割，包括三角形，圆形和梯形。他们发现梯形切口最接近蛇鳞片的形状，可以让机器人在运动时伸展得更长。
当机器人伸展时，看上去光滑的表面则会转换成3D纹理表面，像蛇皮一样抓住地面。并且它还具有可编程的外壳，当遇到障碍时，能够及时地进行调整，这样爬行的速度和路线都会比较精准。
目前，这个蛇形机器人已经在整个哈佛大学遛了一圈，表现状况良好。但是科学家们认为，只是会爬还不够，他们还在不断改进设计，希望有朝一日这些蛇形机器人可以穿越困难的环境进行探索、监控和搜救任务，或执行复杂的腹腔镜医疗程序。
（信息源自《每日科学》）
蛇形机器人的工作原理
蛇形机器人的工作原理
蛇形机器人是一种模仿蛇类运动的机器人，它的工作原理可以分为硬件和软件两个方面：
硬件方面：
1. 结构设计：蛇形机器人的身体由一系列连续的关节单元和连接杆组成，每个关节单元都有自己的驱动器和传感器，可以自由弯曲和转动。
2. 驱动系统：每个关节单元都有一个电机或压电驱动器，用于控制关节的运动。这些驱动器可以根据软件控制发送恰当的指令以实现不同的运动方式。
3. 传感器系统：蛇形机器人通常具有各种传感器，如陀螺仪、加速度计、压力传感器等，用于感知自身的姿态、环境条件以及与外部物体的接触等信息。
4. 电源系统：蛇形机器人需要电源来供电驱动器和其他电子设备。
软件方面：
1. 运动规划：通过计算机算法，根据机器人当前位置和目标位置，确定每个关节单元的驱动器运动方式，以生成合适的运动序列和控制指令。
2. 执行控制：将计算出的控制指令发送给各个关节的驱动器，使得机器人按照预定的运动轨迹和姿态进行运动。
3. 感知与决策：机器人通过传感器系统获取环境信息，并利用算法对这些信息进行处理和分析，根据需要作出相应的决策，调整机器人的运动方式和姿态。
根据蛇形机器人的工作原理，在软硬件的协同作用下，它可以实现各种复杂的身体姿态和运动方式，如爬行、攀爬、游泳等，以适应不同的环境和任务需求。
蛇形机器人水中上浮下潜运动仿真研究
蛇形机器人水中上浮下潜运动仿真研究
谢亚飞;卢振利;徐惠钢;李斌
【摘 要】根据水下环境特征,研究蛇形机器人在水中三维空间的运动步态.基于虚拟机器人实验平台(V-REP)动力学仿真软件搭建了具有垂直和水平关节的蛇形机器人模型,在蛇形曲线生成蜿蜒运动的基础上,采用逐节升降法实现了水中的上浮下潜运动步态.分析了蛇形机器人在水中运动过程中的位态、受力、关节力矩及运动效率的状况,为蛇形机器人水中运动的实用化提供数据参考,同时验证了逐节升降法实现蜿蜒下潜上浮的有效性.%The three-dimensional gait of a snake-like robot
moving in water was studied according to underwater environment
characteristics.A model for underwater snake-like robots with vertical and
horizontal joints was established based on the dynamic simulation
software called the virtual robot experimental platform (V-REP).Based on
the serpenoid curve,the model's depth in water was changed step by step
to realize the rising and diving motions.The position,exerted force,joint
torque and motion efficiency of snake-like robots moving in water were
analyzed to provide practical referential data for practicalizing
机器蛇实验报告
- 1 -
- 2 - 机器蛇实验报告
摘要： 基于对上述对蛇形机器人的深刻了解和学习，我们开始对机器人进行重点的设计研究实验，在多次的实验中，给我印象最深的，并且付出努力最多的一次实验便是蛇形机器人的机构设计和单元连接实验。
关键字： 机器蛇 舵机 建模 机电控制 结构设计 原理图
第一章 前言
1.1 实验目的
时光飞逝，如白驹过隙，转眼本学期的学习生活即将结束，对机器蛇创新实验的了解学习也即将落下帷幕，通过本学期的学习，使我拓宽了知识面，对机器蛇创新试验有了更深层次的了解，不仅培养了创新设计能力，锻炼了我的动手操作能力，更大大的提高了我对机器人创新试验的兴趣，从未知的不懂学起，每当按照老师的指导，课程的安排将机器蛇操作起来，按照指令使其运动自如，都有着说不出的激动和兴奋，格外的有成就感，虽然课程很短暂，但我相信通过这一学期的接触，了解和学习，对我们在以后的专业学习生活中，不仅是种锻炼，更是种启迪。
1.2 实验过程及内容
通过老师的讲解，我们首先初识了仿生机器人，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，利用各种机、电、液、气等动力元器件和各种传感器来构建机器人基本躯体，通过各种智能算法搭建机器人控制系统，实现机器人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。而由于蛇形机器人在战场上的扫雷，爆破，矿井和废墟中探测营救，反恐、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军事及民用领域都显示出广阔的应用前景,国内外的许多科研机构都开展了针对机器蛇的研究与开发。
经过了这些基础的了解，我们开始对蛇形机器人进行了重点的学习，关于机器蛇运动研究主要集中在运动姿态的调整控制。研究机器蛇关键是多关节、多自由度的自主控制，以及一定结构下机器人体态变化过程中的有效控制问题。如何设置各个关节变化在一定时序内的有序变化，是实现机器蛇运动的关键。而我们重在了解了解机器蛇的运动机理，基本掌握机器蛇的运动设计思路。
蛇形机器人运动机制的仿生研究
蛇形机器人运动机制的仿生研究
关键信息项：
1、 研究目的
2、 研究方法
3、 研究进度
4、 成果评估标准
5、 知识产权归属
6、 合作方式
7、 风险与责任承担
8、 经费预算及使用
9、 保密条款
11 研究目的
本协议旨在明确关于蛇形机器人运动机制的仿生研究的目标和期望成果。通过对蛇类生物运动方式的深入分析和模仿，开发出更高效、灵活和适应性强的蛇形机器人运动模式，以应用于多个领域，如救援、探测、工业生产等。
111 具体目标包括但不限于： 1111 深入理解蛇类生物的肌肉运动、骨骼结构和关节活动对其运动的影响。
1112 建立精确的蛇形机器人运动数学模型。
1113 设计并实现能够模拟蛇类多种运动形态的机器人硬件结构和控制系统。
12 研究方法
121 采用多学科交叉的研究方法，融合生物学、机械工程学、电子工程学、计算机科学等领域的知识和技术。
122 对蛇类生物进行实地观察和影像资料分析，获取其运动特征和规律。
123 运用先进的建模软件和仿真工具，对蛇形机器人的运动进行模拟和优化。
124 制作实验样机，进行实际运动测试和性能评估。
13 研究进度
131 第一阶段（时间区间 1）：完成蛇类生物运动数据的收集和分析，初步建立理论模型。
132 第二阶段（时间区间 2）：设计机器人硬件结构和控制系统方案，并进行初步制作。
133 第三阶段（时间区间 3）：进行样机的调试和实验，优化运动性能。 134 第四阶段（时间区间 4）：对最终成果进行全面评估和总结。
14 成果评估标准
141 运动速度和灵活性达到预定指标。
142 能够适应多种复杂地形和环境条件。
143 与真实蛇类运动的相似度和仿生效果显著。
144 控制精度和稳定性符合设计要求。
15 知识产权归属
151 研究过程中产生的所有知识产权归合作双方共同所有。
152 未经双方同意，任何一方不得擅自将知识产权转让或授权给第三方。
一种蛇形机器人蜿蜒运动的实现及环境适应性研究
第５５卷第２期 ２ ０１ ５年３月 大连理工大学学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｄａｌｉａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖ０１．５５。ＮＯ．２ Ｍａｒ．２ ０ １ ５ 文章编号：１０００—８６０８（２０１５）０２—０２０３—０６ 一种蛇形机器人蜿蜒运动的实现及环境适应性研究 高 琴 ， 王哲龙～， 胡卫建 ， 赵兰迎 （１．大连理５－大学控制科学与工程学院，辽宁大连１１６０２４； ２．中国地震应急搜救中心，北京 １０００４９） 摘要：生物蛇数量众多的脊椎骨以及无足的身体结构，使其形成了特殊的蜿蜒式前进步态， 能够广泛适应于草地、沙漠和湖泊等起伏地形，这种节律性的运动方式被证明是由中枢模式 发生器（ＣＰＧ）控制的．利用Ｈｏｐ｛振荡器的稳态特性建立了能够实现蛇形机器人蜿蜒步态的 ＣＰＧ步态控制网络，依据蛇形机器人的模型仿真器得到了控制蜿蜒运动的ＣＰＧ网络参数， 并利用该网络的输出蛇形机器人成功实现了前进．根据Ｈｏｐｆ振荡器对控制参数突然变化的 良好适应性，通过在线调整得到了新的输出．讨论了面对复杂环境时蛇形机器人转弯运动的 实现以及改变蛇形机器人身体Ｓ波构形来提高其环境适应性的方法．在蛇形机器人样机上的 实验证明了基于ＣＰＧ的运动控制方法在蛇形机器人蜿蜒运动上的有效性． 关键词：蛇形机器人；Ｈｏｐｆ振荡器；蜿蜒运动；转弯运动；相位 中图分类号：ＴＰ２４２ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．７５１１／ｄｌｌｇＸｂ２Ｏ１５Ｏ２Ｏ１３ Ｏ 引 言 蜿蜒运动作为生物蛇最典型的一种步态，运 动时由于重心低、稳定性好，具有很强的地形适应 能力，是蛇形机器人步态控制的核心问题［１ ］． 常见的蜿蜒运动控制方法分为３种：基于蛇 形曲线、基于模型和基于中枢模式发生器（ｃｅｎｔｒａｌ ｐａｔｔｅｒｎ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ，ＣＰＧ）［３ ］．基于蛇形曲线的控 制方法利用ｓｅｒｐｅｎｔｉｎｅ曲线或ｓｅｒｐｅｎｏｉｄ曲线生 成机器人转动关节的角位移参考信号，具有实现 简单、易于控制的优点，缺点是调整参数时容易引 起关节角速度、力矩的跳变从而破坏电机［２ ］．基 于模型的控制方法根据运动学或动力学建模完成 机器人复杂精确的步态控制，但是建模过程困难， 控制器计算量大，对未知环境适应性较差［７ ］．而 近期被广泛应用在仿生机器人上的基于ＣＰＧ的 控制方法是一种新的仿生控制策略［１ ｎ］，它模仿 脊椎动物中枢神经系统能够自发生成节律信号的 原理，通过上层少数的控制参量实现高维自由度 信号的生成以及在线调整，能够提高蛇形机器人 的环境适应性． 本文利用Ｈｏｐｆ振荡器建立ＣＰＧ的神经元 模型 ］，构建蛇形机器人的蜿蜒步态控制网络， 讨论基于ＣＰＧ方法实现的蜿蜒运动．通过在多体 系统动力学仿真软件ＡＤＡＭＳ中建立蛇形机器 人物理模型并进行步态仿真，得到可用于蛇形机 器人蜿蜒步态控制的ＣＰＧ网络参数，并讨论不同 障碍物情况时蛇形机器人对环境的适应性．最后， 在蛇形机器人样机上进行蜿蜒运动的实验． １蜿蜒步态的模型 １．１蛇形机器人样机 本文的蛇形机器人具有两自由度的关节结 构，能够进行三维空间内的旋转，实现俯仰平面和 偏航平面的复合运动．整个蛇形机器人样机如图 １所示，由１１个相同的连杆单元串联而成，连杆 单元可以进行添加或者拆除的操作． 收稿日期：２０１４－０５—１９；修回日期：２０１４－０８－２１． 基金项目：“十二五”国家科技支撑计划资助项目（２０１３ＢＡＫ０３Ｂ０１）；辽宁省高等学校杰出青年学者成长计划资助项目 （ＬＪＱ２０１２００５）． 作者简介：高琴（１９８５一），女，博士生，Ｅ—ｍａｉｌ：ｏｎｌｙｇａｏｑｉｎ＠ｇｍａｉｌ．ｃｏｍ；王哲龙 （１９７３一），男，教授，博士生导师，Ｅ—ｍａｉｌ：ｗａｎｇｚｌ＠ ｄｌｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ．
基于形态学的蛇形机器人运动步态算法研究
３１４０ ２０１１，Ｖｏ１．３２，Ｎｏ．９ 计算机工程与设计ＣｏｍｐｕｔｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄＤｅｓｉｇｎ
基于形态学的蛇形机器人运动步态算法研究
蒋湘军， 魏武
（华南理工大学自动化科学与工程学院，广东广州５１０６４０）
摘要：基于蛇形机器人运动形态学，利用扩展Ｆｒｅｎｅｔ—Ｓｅｒｒｅｔ分析了一种蛇形机器人运动的几何模型，并根据这种几何模型
研究了一种确定蛇形机器人的运动步态规律的算法，称之为ＥＦＳＡ（ｅｘｔｅｎｄｅｄｆｒｅｎｅｔ．ｓｅｒｒｅｔ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ）算法。用这种算法规划了无 轮蛇形机器人的基本运动步态，而且重要的是实现了蛇形机器人三维螺旋运动规划，并成功实现了蛇形机器人的仿真运
动。这种方法简单、可实现性强，在运动步态规律研究上具有通用性的特点。
关键词：蛇形机器人；形态学；微分几何；运动步态；Ｆｒｅｎｅｔ—Ｓｅ￣ｅｔ
中图法分类号：ＴＰ２４２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００．７０２４（２０１１）０９—３１４０。０４
Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｓｎａｋｅ—ｌｉｋｅ ｒｏｂｏｔ’Ｓ ｇａｉｔｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ
ＪＩＡＮＧ Ｘｉａｎｇ－ｊｕｎ， ＷＥＩ Ｗｕ
（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５ １ ０６４０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ａｃｃｏｒｄａｎｃｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ｏｆｓｎａｋｅ，ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｅｘｔｅｎｄｅｄ Ｆｒｅｎｅｔ—Ｓｅｒｒｅｔ ｔｈｅｏｒｙ ｔｈｅ ｇｅｏｍｅｔｒｙ ｍｏｄｅｌ ｏｆａ ｍｏｖｉｎｇ ｓｎａｋｅ—
ｌｉｋｅ ｒｏｂｏｔ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ａｎｄ ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ ｔｈａｔ，ａｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ ｔｈｅ ｓｎａｋｅ・ｌｉｋｅ ｒｏｂｏｔ’Ｓ ｌａｗ ｏｆ ｍｏｔｉｏｎ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｉｓ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｓ ｃａｌｌｅｄ ＥＦＳＡ【ｅｘｔｅｎｄｅｄ ｆｆｅｎｅｔ－ｓｅｒｒｅｔ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ）ａｌｇｏｒｉｔｈｍ．Ａｎｄ ｗｊｔｈ ｔｈｉｓ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｓ ｐｌａｎｎｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｆｒｅｅ ｒｏｕｎｄ ｏｆ ｓｎａｋｅ—ｌｉｋｅ ｒｏｂｏｔ’Ｓ ｂａｓｉｃ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｇａｉｔｓ，ａｎｄ ｗｈａｔ ｔｈｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｔｈｉｎｇ ｉｓ ｔｏ ｐｒｏｐｏｓｅ ｔｈｅ ３－Ｄ ｈｅｌｉｘ ｍｏｖｅｍｅｎｔ，ａｎｄ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｓｕｃｈ ａ ｆｒｅｅ ｒｏｕｎｄ