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1、沈阳航空学院学士学位论文- 1 -摘 要本文研究的主要内容是二自由度蛇形机器人单元设计。其主要目标是利用蛇（它的形态和姿势）做原形来研究具有与蛇的功能相似的蛇形机器人。其主要功能要求：能利用单元之间的摆动是身体与环境之间的摩擦力能在凹凸不平/粗糙的面蜿蜒前进，也能在光滑的表面上滑行前进；能利用关节之间的相对运动实现身体的抬起从而可以跨过小沟、裂缝和障碍物等。蛇形机器人单元之间的摆动和抬起运动本文采用耦合驱动的方式来实现。扭转运动是蛇形机器人的有效运动方式，利用该步伐蛇形机器人可以跨越障碍。在此基础上对蛇形机器人的扭转运动进行了扩展，使蛇形机器人不但能够完成平面的扭转运动，而且可以将扭转运动与其
2、它的运动形式结合起来，完成复合运动。当然这种复合运动不仅仅局限在二维复合运动，还包括比较复杂的三维运动，而且本文提出的简化输入方法有利于蛇形机器人在扭转运动过程中有效适应地形。关键词：蛇形机器人；机构设计；耦合驱动；运动分析；沈阳航空学院学士学位论文- 2 -Abstract This paper deals with the two degrees of freedom module of snake-like robot. Utilizing the snake (its forms and motion) as a model to develop a snake-like robot.
3、 The snake-like robot perform the following functions: It can propel itself over uneven/rough ground and swim in a fluid by using its slender body；It can move across branches or crevasses, because it can tighten its body to make a linematically stable posture by using its long body and highly redund
4、ant actuators.In order to apply snake-like robots to the unstructured environment, the researchers have designed many gaits for increasing the adaptability to a variety of surroundings. The twist-related locomotion is an effective gait achieved by jointly driving the pitching-DOF and yawing-DOF, wit
5、h which the snake-like robot can move on rough ground and even climb up some obstacles. The twist-related locomotion function is firstly solved, and simplified to be expressed by sine orcosine function. The 2D locomotion such as V-shape and U-shape is achieved. Alsoby applying it to the serpentine l
6、ocomotion or other types of locomotion, thesnake-like robot can complete composite locomotion that combines the serpentinelocomotion or others with twist-related locomotion. We extend the twist-related locomotion to 3D space. The experimental results are presented to validate all above analyses.Keyw
7、ords: snake-like robot; mechanism design; coupled drive;analysis of creeping locotion沈阳航空学院学士学位论文- 3 -第 1 章 绪论1.1 引言大自然不仅仅赋予人类生命和丰富的自然资源，而且其丰富的生命形态给予了人类无穷无尽的启迪，让人们充分地利用自然和改造自然。这些启迪加上人类的聪明才智使科学技术不断进步，推动人类社会发展。从小鸟的展翅飞翔，到形状各异的风筝，还有后来更为先进的飞机。从蝙蝠的夜间疾飞到当今军事和民航上至关重要的雷达系统，都充分体现了研究生物系统对科学技术发展的重大贡献。模仿和探索大自然中生
8、物的运动和功能，理解和获取有利的运动和控制原理，促使了仿生学的出现和发展。仿生学是 20 世纪 60 年代出现的一门综合性边缘学科，它由生命科学和工程技术科学相互渗透、相互结合而成。可以说仿生学的研究对科学技术和社会的发展起着举足轻重的作用。仿生系统以其能体现和再现生命特征成为现代研究的重点课题。生命系统的自主运动和适应能力的物理实现不仅能够把人从繁重、危险、单调乏味的工作环境中解脱出来，而且能够代替人在危险场合完成复杂作业。仿生学将生命原理应用到工程系统的研究和设计中，尤其对当今日益发展的机器人学科起到了巨大的推动作用，促进了仿生机器人领域的蓬勃发展。在绝大多数人眼中，蛇是一种可怕的动物，甚
9、至有很多人不愿意提及或看到这种动物。从圣经上的关于蛇的描写到中国寓言中农夫和蛇的故事，无不反蛇形机器人的机构设计和运动护制映出蛇阴险和可怕的一面。当然它本身与众不同的移动方式，也使人们产生恐慌和害怕，从而避而远之。其实蛇是非常有益于人类的动物，它可以消火老鼠等害虫，而且对于整个生态平衡起着至关重要的作用。当然本文并不是研究生物蛇和人类的关系，而是根据蛇的生理结构和运动特点，设计和研究蛇形机器人的结构和运动，是从仿生学的角度出发研制有利于人类社会的机器人。当代 机 器 人的研究领域己经从结构环境下的定点作业向非结构环境下的自主作业发展。机器人被急切需要应用到环境复杂、高度危险和人类无沈阳航空学院
10、学士学位论文- 4 -法进入的场合完成作业。除了传统的车型设计方法外，机器人学者把目光转向了生物界，力求从具有各种运动特征的动植物上获得启发，设计新的仿生机器人。蛇形机器人就是在这种条件下孕育而生的。蛇的各种独特的运动特性赋予蛇形机器人以多种功能。蛇形机器人不但能够适应各种复杂地形，能够平均分配自己的体重，还具有自封闭的结构等特点使其吸引了国内外众多机器人学研究人员展开了对蛇形机器人的研究。本文的研究是在前人研究成果基础上对蛇形机器人的机构和运动控制作进一步研究。1.2 蛇形机器人的国内外研究状况蛇形机器人的研究开创了仿生机器人研究的新领域，同时由于蛇形机器人的广泛应用前景，世界上各个国家的机
11、器人爱好者纷纷开始了蛇形机器人的研究。关于蛇形机器人的研究，美国和日本走在前列，此外加拿大、英国、瑞典、澳大利亚等国也都在开展这方面的技术研究。（图 1.1 第一代蛇形机器人 SolidSnake）从仿生学的角度，第一代蛇形机器人结合机器人动力学和摩擦学等的相关 理论，建立的蛇的行波运动学模型，并研制的机器蛇样机 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
12、体形成一个 高冗余度的结构体。这样的机构设计沈阳航空学院学士学位论文- 5 -使蛇体具有向任何方向弯曲的能力。第二代蛇形机器人 SolidSnake II（2004) （图 1.2 第二代蛇形机器人 SolidSnake II）SolidSnake II 蛇形机器人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、简单的运动形式。采用模块化设计思路，每个关节均可很容易进行拆卸。机器蛇的 8 个关节整体形成一个高冗余度的结 构体，很容易模仿实现蛇体的复杂运动形式。为了减少机器蛇的运动
13、中的摩擦阻力，在机器蛇两侧安装有从动轮，实现了蛇体的平稳游动，增强了蛇形机器人的灵活性和机动性。采用轻型耐磨塑料制造蛇形机器人的主要结构，既减轻了蛇体的重量，又降低了加工的成本。 SolidSnake II 蛇形机器人设有多项预留位置，如配备局部控制器、位置及力矩侍服器、从动轮锁死装置等配套装置，可实现机器蛇环境识别和自主运动。在机器蛇的头部配置有红外线探测头，可反馈对环境的监视数据。 在电路设计上采用 485 总线联接。上位机为 PC 机控制，通过对总线的定时轮询来实现 随时插拔关节。此设计能方便地实现替换任意关节，能根据不同任务随时拆卸安装 新的关节，甚至实现带电插拔，极大的增强了蛇形机器
14、人的可靠性和耐用性。 沈阳航空学院学士学位论文- 6 -并且， SolidSnake II 搭建了完善的软硬件开发平台，为后续的研究开 发奠定了坚实的基础。随着研究的深入展开，蛇形机器人研究 与应用一定会有更广阔的天地。1.2.1 国外研究状况上个世纪七十年代，日本东京工业大学的 Hirose 教授就已经开始了蛇形机器人的研究。Hirose 教授于 1972 年研制了第一台蛇形机器人（Active CordMechanism-ACMIII） （见图 1-3） 。该机器人的总长为 2m，具有 20 个关节，依靠伺服机构来驱动关节左右摆动14。为与地面有效地接触，该机器人的腹部安装了脚轮。该机器人
15、的最大速度为 40cm/s，只能在平面上运动。继第一台蛇形机器人之后，Hirose 教授的研究室又先后研制了一系列的蛇形机器人。ACM-R3 是最近的研究成果（见图 1-4） ，该机器人的参数见表 1-1。ACM-R3 机器人采用完全无线控制的方式，每个关节自带电源。而且 ACM-R3 为三维结构，能够在三维环境中运动和完成复杂的三动作。（图 1.3 ACMIII）沈阳航空学院学士学位论文- 7 -（图 1.4 ACM-R3 蛇形机器人）表 1.1 ACM-R3 蛇形机器人的参数日本的 NEC 公司的 Takanashi 研制了刚性关节连接的蛇形机器人（见图1.3） ，该机器人的机构采用了特殊
16、的关节结构，具有 6 个管状的连杆，长 1.4m，直径 42mm，重 4.6kg，能够实现三维空间运动，可以应用在危险情况下的勘查和营救工作。NASA 的 JPL 采用了 NEC 的蛇形机器人结构设计了一种 Serpentine robot，该机器人约 1m 长，直径 4cm，重量为 3.18kg，具有 12 个自由度（见图 1.4） ，主要是完成在存在障碍物的环境中的操作任务沈阳航空学院学士学位论文- 8 -图 1.5 NEC 的蛇形机器人（图 1.6 JPL 操作手）德国的 GMD 研制了蛇形机器人。该机器人采用绳索驱动，具有较好的柔性。此外，在蛇形机器人上安装了红外线传感器来检测环境信息（见图 1.7） 。（图 1.7 德国 GMD 的两代蛇形机器人）沈阳航空学院学士学位论文- 9 -此外，还有很多蛇形机器人先后被开发，这里就不一一介绍了。1.2.2 国内研究情况在我国，蛇形机器人的研究刚刚起步，但是进步较快。哈尔滨工业大学机器人研究所，上海交通大学等单位首先进行了蛇形机器人仿生方面的一些研究工作。上海交通大学崔显世、颜国正于 1
