蛇形机器人论文
轮式蛇形机器人设计及运动探析
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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一种仿生蛇形机器人的结构设计
［６］ 汪 新 智． 双 通 道 气 流 式 雾 化 喷 嘴 模 拟 计 算 与 优 化 ［Ｄ］．哈 尔滨 ：哈 尔滨 工 业 大 学 ，２０１３．
［７］ 金 士 良，李毅 ，蒋瑞靓 ．ＳＵ１６型喷嘴雾化性能仿真分 析 ［Ｊ］．工 业 计 量 ，２０１０，２０（６）：３—６．
观 弋 。 ｌ Ｍｏｄｅ ｒｎ删 Ｍａｃ ｈ ｒ
一 种 仿 生 蛇 形 机 器 人 的 结 构 设 计
聂 宇 ，张 琢 ，林 芸 （贵 阳学院 机 械 工程 学 院 ，贵 州 贵 阳 ５５０００５）
摘 要 ：蛇形机 器人 能够在 复杂的环境 中运动。通 过对蛇的身体结构、运动特 点进行 分析 ，对其骨 架进行仿真抽 象 ，
０ 引 言
蛇是 世界 上无 四肢 动 物 中最 庞 大 的一 类 ，分 布 在世 界 上除北 极 、南 极 外 的各 个 地方 。蛇 的身 体 具 有低 重 心 、高 冗余 度 、高鲁棒 性 、多 自由度 、良好 的稳 定性 等 特点 ，具 有 复杂 多 变 的运 动方 式 。仿 生蛇 形
［８］ 张师帅．计 算流体 动力 学及其 应 用［Ｍ］．武 汉：华 中 科 技 大 学 出版 社 ，２０１１．
［９］ 朱斌 ．油醇 混 合 燃 料 喷 雾特 性 研 究 及 喷 嘴 优 化 ［Ｄ］． 上 海 ：上 海 交通 大 学 ．２０１１．
［１０］ Ｈｏｓｓａｉｎ Ａ Ｋ ，Ｄａｖｉｅｓ Ｐ Ａ． Ｐｌａｎｔ ｏｉｌｓ ａｓ ｆｕｅｌｓ ｆｏｒ ｃｏｎ—
国 石 化 出 版 社 ．２０１０．
作 者 简 介 ：李铮 （１９８６一），女 ，湖 南·ｇ－４￣市人 ，工 程 师 ，硕 士 学 位 ，主要 研 究 方 向化 工设 备 与 机 械 。 刘 海 军 （１９８７一），男 ，内 蒙 古 呼 和 浩特 市人 ，工 程 师 ，硕 士 学 位 ，主 要 研 究 方 向 化 工 设备 与机 械 。 张 雷 （１９９２一），男 ，安 徽 亳 州 市人 ，在 读 硕 士 ，主要 研 究 方 向机 械 结 构 可 靠 性 。
三连杆轮式蛇形机器人设计及运动分析
三连杆轮式蛇形机器人设计及运动分析管小清1,2吕志强1（1北京电子科技职业学院教务处，北京100176）（2北京理工大学机械与车辆工程学院，北京100081）摘要为了克服被动轮驱动蛇形机器人运动能力弱的缺点，提出了一种新型三连杆主动轮驱动蛇形机器人。
该蛇形机器人由多个被动关节连接的串联连杆组成，每个连杆的中心都有一个主动全向轮。
全向轮的驱动力只作用于横向，而机器人则沿纵向运动。
此外，针对该蛇形机器人具有非完整约束和欠驱动的特点，采用局部坐标系，设计了一种带有防滑功能的运动控制器，使运动和关节角度互不干涉。
蛇形机器人蜿蜒爬行实验结果表明，所提出的设计是可行的，且运动控制器有效避免了全向车轮的打滑问题，提高了整个系统的稳定性。
关键词蛇形机器人轮式驱动三连杆模块化主动轮非线性控制系统Design and Motion Analysis of Three-link Wheel Snake-like RobotGuan Xiaoqing1，2LüZhiqiang1（1Office of Academic Affairs，Beijing Polytechnic University，Beijing100176，China）（2School of Mechanical Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing100081，China）Abstract In order to overcome the weakness of the snake-like robot driven by driven wheels，a new three-link snake-like robot driven by driving wheels is proposed.The snake-like robot is composed of a plurali⁃ty of serial connecting rods connected by passive joints，and the center of each connecting rod is provided with an active omnidirectional wheel.The driving force of omnidirectional wheels only acts on the transverse direc⁃tion，while the robot moves along the longitudinal direction.In addition，aiming at the characteristics of incom⁃plete constraint and underactuated snake-like robot，a motion controller with anti-skid function is designed by using local coordinate system，so that the motion and joint angle do not interfere with each other.The experimen⁃tal results of slithered movement show that the proposed design is feasible，and the motion controller effectively avoids the problem of omnidirectional wheel slippage and improves the stability of the whole system.Key words Snake-like robot Wheel drive Three-link Modularization Active wheel Nonlinear control system0引言作为一种串行连接的移动机器人，蛇形机器人的运动方式较为复杂，同时包括了空间位置变化和形状姿态变化，因此，蛇形机器人的设计和控制是一个具有挑战性的问题[1-3]。
基于形态学的蛇形机器人运动步态算法研究
０ 引 言
生 活 在 自然 界 中 的 蛇 由于 其 独 特 的皮 肤 系 统 、 骼 系 统 骨 和 肌 肉 系 统 ， 得 蛇 在 自然 环 境 中 具 有 很 强 的 适 应 性 ， 们 不 使 它
器 人 的 运 动 步态 规 律 ， 对 于 螺 旋 基 本 运 动 更 是 显得 复 杂 。 而 本
中 图法分 类号 ： Ｐ ４ Ｔ ２２
文 献标识 码 ： Ａ
文章 编号 ：０ ０７２ ２ １） ９３４ 。４ ｏ ｉ ｍ ｔ ｄ ｆ ｎ ｋ —ｉ ｅｒ ｂ ｔ Ｓ ａｔ ａ ｅ ｎ ｍｏ ｐ ｏ ｏ ｙ ｇ ｒ ｈ ｓｕ ｙ ｏ ａ ｅ ｌ ｏ ｏ ’ ｉ ｂ ｓ ｄ ｏ ｒ ｈ ｌ ｇ ｔ ｓ ｋ ｇ ｓ
ｉ ｃ ｌ ｄＥ Ａ 【ｘｅ ｄ ｄｆｅ ｅ－ｅｒｔａｇ ｒ ｈ ｓ ａｌ ＦＳ ｅ ｔｎ ｅ ｎ ｔｓｒｅ ｌｏ ｔｍ）ａｇ ｒ ｈ ｅ ｉ ｌｏ ｔｍ．Ａｎ ｔ ｉ ａｇ ｒｔｍ ｓｐａ ｎ ｄ ｆｒｔｅｆｅ ｕ ｄ ｏ ａ ｅｌ ｅｒ ｂ ｔＳ ｉ ｄ ｗｊ ｔ ｓ ｌｏ ｉ ｈｈ ｈ ｉ ｌｎ ｅ ｏ ｅｒ ｎ ｆｓ ｋ —ｋ ｏ ｏ ’ ｈ ｒ ｏ ｎ ｉ
３４ ２ １， ｏ ３， ｏ 计 算 机 工 程 与 设 计 Ｃ ｍ ｕ ｒ ｎｉ ｅｎ ｄ ｅｉ １０ ０ １ Ｖ １ ２ Ｎ ． ． ９ ｏ ｐｔ Ｅ ｇ ｅ ｉ ａ Ｄ ｓ ｎ ｅ ｎ ｒｇｎ ｇ
基于形态学的蛇形机器人运动步态算法研究
蒋 湘军 ， 魏
摘
武
（ 南理 工 大 学 自动化 科 学 与 工程 学 院 ，广 东 广 州 ５０ ４ ） 华 １６ ０
要 ： 于蛇 形机 器人运 动 形 态学 ， 用扩展 Ｆｅｅ—ｅ ｅ 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 基 利 ｒｎｔ ｒ ｔ Ｓｒ
蛇形机器人的机构设计及运动分析
机
电
工
程
Vol. 29 No.5 May 2012
蛇形机器人的机构设计及运动分析
（中国船舶重工集团公司 第七一三研究所，河南 郑州 450015）
摘要：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。 关键词：蛇形机器人； 周期性运动； 关节设计； 三连杆； 运动步态 中图分类号：TH122； TH112； TP242 文献标志码： A 文章编号： 1001-4551 （2012） 05-0512-04
不同的运动方式， 本研究设计的模块单元的连接方式 如图 3 所示， 是主动驱动的连接方式， 电机固定在电机
· 514 ·
机
电
工
程
第 29 卷
蛇形机器人三连杆组合的运动步态和多连杆组合的运 动步态 2.1
［6-12］
2.2
。
把机器人简化为 6 段固定长度的连杆系统。假设蛇形 角度范围是±60°。由蛇尾向蛇头方向运动， 三连杆的 程， 运动波的传递过程如图 4 所示。
ZHANG Ling-ling， QU Ze-chao
பைடு நூலகம்
0
引
言
本研究所述的蛇形机器人。该蛇形机器人可以在复杂 环境中起伏前进， 并能够实现侧移、 翻转、 平面蜿蜒等 多种运动形式。通过对蛇形机器人模型的运动分析， 笔者研究出了一种蛇形机器人的运动方式， 并在其实 体上得到了有效的验证。
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 experiment result showed that the shape， offset and turning characteristics of the snake-like robot were determined by the motion control parameters， and the lateral offset could be eliminated by specific parameter， which had important enlightenment and reference significance in motion control of snake-like robot.Key words： snake-like robot; serpentine locomotion; gait planning; offset compensation; Webots simulation0 引言蛇形机器人是一种高冗余的多关节机器人，从1972年Hirose教授搭建出第一台蛇形机器人样机至今，国内外对蛇形机器人的运动控制和结构设计进行了许多的研究[1-2].相对于足式机器人，蛇形机器人对于粗糙、陡峭等复杂多变的地面环境适应性更好，可以完成蜿蜒、蠕动、翻滚、攀爬等多种运动模式，在探测、侦察、废墟救援[3]等方面拥有良好的应用前景.KOMURA等[4]研发的蛇形机器人除了可以进行侧向翻滚运动、侧向蜿蜒运动以及水下蜿蜒运动之外，最新的ACM-R8机器人采用单向转动主动轮，还可以自主上下楼梯;WRIGHT等[5]研究了正交模块的蛇形机器人，完成了三维空间内的蜿蜒、翻滚和攀爬运动;LILJEBACK等[3]研制了第一个使用液压驱动的火灾救援蛇形机器人，之后又借助障碍物辅助蛇形机器人运动;1999年，崔显世等[6]研制了国内第一台蛇形机器人样机;叶长龙等[7]和卢振利等[8]设计出了探察者3号机器人，提出侧移调整法，并且对其水下的蜿蜒游动进行了仿真研究;魏武等[9]提出了基于旋量理论的蛇形机器人运动学建模方法，为机器人速度分析提供了一种非常便捷的方法.在蛇形机器人的轨迹研究中，蜿蜒运动是最基本的运动形式，该项研究包括：蛇形曲线参数对蜿蜒运动形状的影响[10]、基于神经振荡的中心模式产生器（CPG）算法的蛇形运动[11-12]和学习蛇形机器人步态方程的参数，并实现最优控制[13]，等等.但对于蜿蜒运动过程的研究仍存在着不足，如控制参数与运动轨迹的关系还没有被充分研究，实际运动轨迹与理想的之间仍存在较大的偏移等.本文作者基于上述蜿蜒运动轨迹的偏移问题，对蜿蜒运动步态规划及参数优化展开研究，从生物蛇的蜿蜒受力分析着手，设计了蛇形机器人的本体结构，并通过对蛇形曲线参数与运动轨迹拟合关系的分析，研究了蜿蜒曲线的形状对运动的影响;针对蜿蜒运动轨迹的初始时刻突变与运动中的偏移问题，提出优化方程，并进一步规划了蜿蜒运动;通过实验仿真模拟运动控制参数对机器人运动形态、速度和偏移的影响，并验证了运动控制参数对偏移补偿的有效性.1 蛇形机器人的运动模型1.1 蛇形机器人的蜿蜒运动研究为了得出实现蛇形机器人蜿蜒运动所需要的条件，需要对生物蛇进行受力分析（图1）.已知生物蛇在进行蜿蜒运动时的运动形式近似于正弦波的传播形式，而蛇的运动方向与正弦波传递的方向是相反的.1.2 基于Webots的蛇形机器人模型根据生物蛇的运动机理，设计了蛇形机器人的结构，如圖1所示.其中，蛇体底部装有从动轮来模拟蛇的腹鳞，使得运动时的轴向摩擦力远小于径向摩擦力，同时提高轴向运动效率;蛇形机器人的连接关节为正交结构，能够实现三维运动;蛇体模块的整体轮廓设计呈圆形，提升了其在复杂环境中的适应性，且蛇体模块的两端可安装正交放置的舵机.为了方便研究蜿蜒运动，使用Webots软件创建一个六模块的平面蛇形机器人[14-15]，每个模块的底部都设计了从动轮来模拟不同的横纵系数比，在模型中加入伺服电机节点来控制蛇形机器人的转动机构.通过编写控制器程序改变不同时刻下各个舵机的转动角度，来实现蛇形机器人的移动，实时模拟蜿蜒、转弯等步态运动.2 蛇形机器人蜿蜒曲线与参数分析2.1 蛇形曲线及运动控制方程的推导蛇形机器人实际上由若干个连杆模块连接而成，其曲线曲率并不连续，需要将蛇形曲线离散化.假设蛇形机器人由n个长度相同的模块组成，蛇体总长为l，则每个模块的长度为.2.2 蛇形机器人运动轨迹分析图3中，坐标原点处为蛇尾位置，其中，虚线代表蜿蜒曲线，折线代表蛇形机器人运动轨迹.图3（a）中，分别选用，b=2π，c=0; ，b=3π，c=0; ，b=3π，c=0这3组数据来拟合六模块蛇形机器人的蜿蜒轨迹，假设机器人每个模块的长度是相同的，总长度为1.对比发现：当，b=3π，c=0时，蛇形机器人的姿态更接近生物蛇的运动状态.图3（b）所示为蛇形机器人的拟合转弯轨迹，调整参数得到最佳的左右转弯轨迹，此时，b=4π，当参数c=1时，蛇形机器人向左偏转;当c=-1时，蛇形机器人向右偏转。
一种拉线式蛇形机器人设计与研究
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
根 据 蛇 的特 点 ，蛇形 机 器 人 属 于超 冗 余 自由度 系 统 。为 满 足 自身 灵 活 运 动 能 力 及 各 项 设 计 指 标 ，首 先 需 进 行 关 节选 择 和 合 理 的 自 由度 配 置 。 当 蛇 形 机 器 人 采 用 平 行 连 接 方 式 时 ，相 邻 铰 链 转 动 副 轴 线 方 向相 互 平 行 且 垂 直 于 纵 向 轴 线 ，此 时 仅 拥 有 平 面 运 动 的能 力 。 当 其 采 用 正 交 连 接 方 式 时 ，相 邻 转 动 副 轴线 方 向相 பைடு நூலகம் 交 错 垂 直 且 垂 直 于 纵 向 轴 线 时 ，能 够 实 现 三维 空 间 内 运 动 的 能 力 ，但 需 要 相 邻 两 个 关 节 相互 配 合 ，受 制 于两 个 关 节连 接 杆 长 『ｇ］。基 于 上 面 的 分 析 ，本 文 采 用万 向节 连 接方 式 ，如 图 １所 示 ，关节 的 一 端 能 够 向任 意 方 向 运 动 ，具 备 完 整 的 三 维 工 作 空 间和 良好 的空 间 灵 活 性 ，更 接 近 蛇 的 关 节 仿 生 性 以 适 应 复 杂 工作 环 境 。
蛇型机器人控制系统设计与单片机控制
第24卷第5期苏 州 大 学 学 报(工 科 版)Vol.24No.5 2004年10月JOURNALOFSOOCHOWUNIVERSITY(ENGINEERINGSCIENCEEDITION)Oct.2004文章编号:1000-1999(2004)05-0088-03蛇型机器人控制系统设计与单片机控制Ξ胡继康,芮延年,张茂青(苏州大学机电工程学院,江苏苏州215021)摘 要:介绍了一种蛇型机器人的结构原理与无线遥控的实现方法,该机器人运动控制算法简单实用,对控制器要求不高,成本也较低。
其运动控制达到设计要求,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,为进一步模拟蛇的复杂动作与实际应用打下了良好的基础。
关键词:蛇型机器人;无线遥控;单片机控制中图分类号:TP242 文献标识码:A0 引言蛇型机器人是近年来兴起的仿生机器人的一个新的分支。
它区别于传统的利用轮、腿或履带移动的机器人,它模仿蛇的动作,通过“身体”的扭动和伸缩实现所谓的“无肢运动”。
这种运动方式的机器人具备稳定性好,横截面小,高柔性等特点。
这些特点使得蛇型机器人适合在一些特殊环境下代替人进行作业,不仅使人更安全,也使探测、救援或维护更有效。
随着人们对蛇型机器人的认识,各个国家都开始重视蛇形机器人的研制和开发,近年来,国内也开展了对蛇型机器人的研究工作。
蛇的爬行一般可分为4种方式:1)蜿蜒运动。
蛇体摆动近似于正弦波的规律,借助侧面接触凸凹不平的地面和障碍物所产生的反作用力前进。
2)直线运动。
蛇体靠腹部和地面的摩擦力移动。
当腹部与地面固定时提供牵引力,连接肋骨和弹性皮肤的肌肉提供推动力,皮肤相对骨骼移动,反复实现运动。
在捕食和无障碍的时候运用,所经过的位移最短。
3)侧向运动。
它是借助腹部和地面的摩擦力移动。
蛇体从头部开始,身体部分顺次接地、抬起,借助腹部与地面之间的摩擦力完成侧向运动,适用于沙地或地面较平整的情况。
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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。
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。
蛇可以爬树、游水、钻洞、绕过障碍物、穿越沙漠，在平坦的地面爬行更是能达到行动如飞。
蛇的身体，虽然只不过象一条绳子，但功能强大：在前行的时候可以当“腿脚”，在攀爬的时候可以当“手臂”，而在攫取东西时又可以当“4手指”。
在仿生机械学中，模仿生物蛇而诞生的仿生机器蛇将逐渐具备这些特性。
仿生机器蛇是一种高冗余度移动机器人，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，在许多领域具有广泛的应用前景。
在军事方面，它可以是未来战场上的重要侦察、监视和攻击武器，能以可接受的成本执行某些有价值的任务：还可用于战争危险估计、目标搜索、通信中继，监测化学、核或生物武器，侦察建筑物内部情况等，可适用于城市、丛林、沙漠甚至海洋等多种作战环境。
在民用方面，与传统的以轮子或“机械腿”作为行走工具的机器人相比，由于仿生机器蛇的身体重量分布在较大的支持区域上，所以对土质松软的地域进行探测时可以显示出更强的适应性，适合对未知的区域进行探索。
如在有辐射、粉尘和有毒环境中进行侦察，搜寻有毒气体或化学物质源：在地震、塌方及火灾后的废墟中搜寻灾难幸存者；在狭小和危险条件下探测和疏通管道等。
在科技方面，在外太空进行探测，仿生机器蛇灵活又坚固，既可以在航空器外进行维修作业，也可以在其它星球崎岖不平的地形中自由移动以进行探测和采样：同时在实验室中，还可以为人们研究数学、力学、控制理论和人工智能等提供实验平台。
1.2 仿生机器蛇的研究现状及发展仿生机器蛇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。
“无肢运动”是机器人运动方式的一个突破因而被国际机器人业界称为“最富于现实感的机器人”。
1.2.1 国外研究现状发达国家十分重视仿生机器蛇的研制和开发。
从1972年日本东京工业大学的I-lirose教授研制出第一台至今，相继有数十台仿生机器蛇样机问世。
在文献K1日中对早期的一些样机有较全面的介绍。
目前，国外比较系统而深入地研究仿生机器蛇的机构主要有：日本东京工业大学的Hirosc机器人实验室(H.F Robot Lab)、美国密歇根大学(University ofMichigan—UM)的移动机器人实验室(Mobfie Robotics Laboratory)、美国卡内基-梅隆大学(Carnegie Mellon University—CMU)的生物机器人技术实验室(Biorobotics Lab)等，其各期的样机基本包括了现有仿生机器蛇的所有重要特性。
1.2.1.1 HiroseFRobotLab公司研究的ACM系列仿生机器蛇(1)ACM Ⅲ仿生机器蛇图1.1（a）所示为Shigeo Hirose研制的世界上第一台仿生机器蛇ACM Ⅲ的整体样机，近看局部连接和驱动如图1.1(b)所示。
该样机由一系列轴线互相平行的模块连接构成，我们把这种连接方式称为“平行连接”。
每个模块有独立的驱动器，为了避免运动时侧向滑动同时减少切向摩擦力，每个模块底部装有滚动轮。
它利用躯干上的每个单节的相互转动，使得整体按一定的曲线形式发生弯曲变化，产生向前的驱动力，使得整体在地面上滑行，其轨迹为一条蛇行蜿蜒曲线。
（a）ACMⅢ样机（b）ACMⅢ的局部连接和驱动装置图1-1 代号为“ACMⅢ”仿生机器蛇(2)ACM-R3仿生机器蛇如图1-2(a)所示，ACM-R3在结构上，采用如图1-2(b)所示的框架，若干框架一横一竖联结成可实现三维运动的仿生机器蛇。
我们把这种连接方式称为“正交连接”。
在每一节上都装有巨大的轮子，从整体来看，这些轮子具有一些新的效果。
它们把仿生机器蛇内部包裹起来，并且具有像生物蛇的皮肤一样的摩擦效果，如果这些轮子碰到障碍物，它们会自行滚动或滑动，无需电机驱动。
控制方面。
ACM-R3的每一节都携带各自独立的控制系统电路用于自制。
这些独立的电路各自直接同仿生机器蛇上的主机联络，这样操作者通过无线遥控给主机发出命令，主机只要计算出每个关节应该转过的角度，然后传给它们，由它们完成后面的工作。
使用独立的控制单元的好处是，使用者可以按照需要将任意数目的单节组合，同时，这样也便于更换坏掉的部分。
这是ACM-R3最显著的特征之一，只需在每一节内都预留六个电线接头，以作为与主机连接的电路。
该机构结构简单，并可以实现直接单元驱动、侧面滚动、螺旋运动、S曲线等各种运动形式。
（a）ACM-R3模型（b）轮式结构图图1-2 代号为“ACM-R3”的仿生机器蛇模型(3)ACM—R4和ACM-R5ACM-R4是ACM-R3的升级版，只是改变了外壳的质地和增加了防水功能。