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1、上海电力学院上海电力学院 本科毕业设计 论文 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 摘摘 要要 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
2、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
3、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 str
4、ong 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 manufact
5、uring Key Words Snake like robot Motion simulation ADAMS Modeling and Simulation 仿生机器蛇设计和仿真研究 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
6、 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 1 ADAMS 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
7、 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 仿生机器蛇设计和仿真研究 1 1 绪论绪论 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
8、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
9、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
10、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 仿生机器蛇设计和仿真研究 2 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 Universi
11、ty 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 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 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
12、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 ACM 样机 b ACM 的局部连接和驱动装置 图1 1 代号为 ACM 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
13、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 仿生机器蛇设计和仿真研究 3 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
14、 ACM R4和ACM R5 ACM 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 如 图1 3所示 ACM R5仍然沿用了ACM R3的关节连接方式 只是在机构上进行了改 进 关节处外包了波纹管 使得关节活动更为灵活 并在每一节的周围都安装 有六片带小轮子的鳍片 可以更大程度地减少与周围环境的摩擦 ACM R5在地 面和水中都可以快速灵活地游动 a ACM R4模型 b 各个轮式结构图 仿生机器蛇设计和仿真研究 4 图 1 3 代号为 ACM R4 的仿生机器蛇模型 1 2 1 2 UM 公司的 OmniTread 系列产品 UM的OmniTread 图1 4 完成于20
15、04 2005年 OmniTread被设计用于非常 复杂的地形 如震后的建筑物 因此它的行走能力非常强 OmniTread的节与节 之通过驱动轴连接 连接处的风管通过充气或放气来促使某一节做出不同动作 通过协调每节的动作 OmniTread就能在障碍物上自由攀爬 操作者可通过控制 操纵杆向其发出各种指令 如 横滚 蠕动等 OmniTread的独特之处还在于 其表面覆盖着占总面积80 的履带 这能防止在粗糙地面上停顿 从而在复杂 地形中持续前进 OmniTread能翻越两倍 于自身高度的障碍物 跨过宽度相当于自身长度一半的空档 还能爬楼梯 钻 管道及在竖直管道内向上攀爬 OmniTread通过将
16、竖直的身体横向变形成支架架 在管壁之间 电机驱动各节外壁附着的履带产生垂直方向的运动趋势 实现在 竖直的管道内爬行 图1 4 代号为MniTread的仿生机器蛇 CMU的生物机器人技术实验室 Biorobotics Lab 近几年研究的仿生机器蛇 样机都是基于正交连接的 除了具备其它正交连接方式的仿生机器蛇所能实现 的各种步态外 该实验室针对仿生机器蛇的攀爬做了很多工作 其仿生机器蛇 样机如M系列的MI M3 图1 5 已能实现竖直方向的攀爬 方法是通过将竖直 的身体横向变形成支架状 然后采用翻滚步态产生螺旋运动或者采用蠕动步态 在竖直的管道或彼此平行且有一定距离的两块墙板之间上下攀爬 M3还可以呈 螺旋状缠绕在竖直或水平管道外部 并以翻滚的运动方式向上攀爬 仿生机器蛇设计和仿真研究 5 图1 5代号M3的仿生机器蛇 1 2 1 3 其他组织和个人的部分研究成果 在二维空间中运动已经是所有仿生机器蛇的最基本功能 这里只介绍几个 可以在三维空阋运动且关节结构比较特殊的例子 蛇体由相互连接的旋转关节组成 但关节的驱动是由绳索和被动弹簧完成 的 这种以绳索和弹簧为驱动件组成的蛇体 具有适应性
