【正文】 R3 機器人采用完全無線控制的方式，每個關(guān)節(jié)自帶電源。而且 ACMR3 為三維結(jié)構(gòu)，能夠在三維環(huán)境中運動和完成復(fù)雜的三 動作。 （ 圖 ACMIII） 沈陽航空學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 7 （ 圖 ACMR3 蛇形機器人 ） 表 ACMR3 蛇形機器人 的參數(shù) 日本的 NEC 公司的 Takanashi 研制了剛性關(guān)節(jié)連接的蛇形機器人（見圖），該機器人的機構(gòu)采用了特殊的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，具有 6 個管狀的連桿，長 ，直徑 42mm，重 ，能夠?qū)崿F(xiàn)三維空間運動，可以應(yīng)用在危險情況下的勘查和營救工作 。 NASA 的 JPL 采用了 NEC 的蛇形機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計了一種 Serpentine robot，該機器人約 1m 長，直徑 4cm，重量為 ，具有 12 個自由度（見圖 ），主要是完成在存在障礙物 的環(huán)境中的操作任務(wù) 沈陽航空學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 8 圖 NEC 的蛇形機器人 （ 圖 JPL 操作手 ） 德國的 GMD 研制了蛇形機器人。該機器人采用繩索驅(qū)動，具有較好的柔性。此外，在蛇形機器人上安裝了紅外線傳感器來檢測環(huán)境信息（見圖 ）。 （ 圖 德國 GMD 的兩代蛇形機器人 ） 沈陽航空學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 9 此外，還有很多蛇形機器人先后被開發(fā) ，這里就不一一介紹了。 國內(nèi)研究情況 在我國，蛇形機器人的研究剛剛起步，但是進(jìn)步較快。哈爾濱工業(yè)大學(xué)機器人研究所，上海交通大學(xué)等單位首先進(jìn)行了蛇形機器人仿生方面的一些研究工作。上海交通大學(xué)崔 顯世、顏國正于 1999 年 3 月研制了我國第一臺微小型仿蛇機器人樣機，該機構(gòu)由一系列剛性連桿連接而成，步進(jìn)電機控制相鄰兩剛性連桿之間的夾角，使連桿可以在水平面內(nèi)擺動，樣機底面裝有滾動軸承作為被動輪，用以改變縱向和橫向摩擦系數(shù)之比，其后又相繼作了一些相關(guān)的理論研究。 20xx 年，國防科技技術(shù)大學(xué)研制了一個蛇形機器人樣機 [53](圖 )，該樣機不但可以實現(xiàn)平面內(nèi)運動，而且采用密封外皮后，能在水面上實現(xiàn)蜿蜒運動。 （ 圖 國防科技大學(xué)的蛇形機器人 ） 中科院沈陽自動化所機器人重點實驗室也開始了蛇形機器人 的研究，并提出一種新型蛇形機器人結(jié)構(gòu) [5459]（見圖 .9），可實現(xiàn)多種適應(yīng)環(huán)境的平面和空間運動形式，并作了深入的理論研究。目前，北京航天航空大學(xué)等單位也開始蛇形機器人的相關(guān)研究工作。 （ 圖 中科院沈陽自動化所的蛇形機器人 ） 沈陽航空學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 10 極大的幫助，所以自 80 年代中期以來，機器人科學(xué)家們就開始了仿生機器人的研究。 研究蛇形機器人的意義 蛇形機器人具有很多優(yōu)點，能夠應(yīng)用到很多復(fù)雜和危險的環(huán)境中。雖然目前蛇形機器人的研究尚處在實驗階段，但蛇形機器人有廣泛的應(yīng)用前景。蛇形機器人可以應(yīng)用到但不僅僅局限在以下各 領(lǐng)域 : 1) 科學(xué)探險和狀況檢查 :代替或部分代替人去完成危險環(huán)境中的作業(yè)是研制機器人的主要目的之一?？茖W(xué)探險是科學(xué)家探索大自然奧秘和豐富地質(zhì)資源的有利手段，但常常因為環(huán)境和氣候惡劣，無法到達(dá)目的地完成指定的探險任務(wù)。非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的作業(yè)和運動對機器人的性能和運動形式提出了非常嚴(yán)格的要求。 2) 防恐防爆和災(zāi)難救援 :自美國紐約的 911 事件之后，防恐防爆成為各個國家維護(hù)國家安全和人民生命財產(chǎn)不受侵害的主題。機器人學(xué)的研究人員制作了形式各異的機器人來代替人去完成防恐防爆和救援傷員的任務(wù)。蛇形機器人也適合于完成災(zāi)難救 援任務(wù)。特別是蛇形機器人身體的各個部分都與地面接觸，對地面的壓力均勻而且非常小，適合在災(zāi)難后的危險建筑中運動和搜救。這些災(zāi)難主要包括 :地震、爆炸、地質(zhì)陷落、龍卷風(fēng)和火災(zāi)等等。 3) 醫(yī)療 :設(shè)計小型的移動機器人，進(jìn)入人體器官 (如腸道、血管 )完成手術(shù)和定點給藥是機器人研究的一個新的熱門領(lǐng)域。如果將蛇形機器人做得非常小，就可以進(jìn)入人體的腸道完成作業(yè)。 4) 航空航天 :神州五號飛船的順利返航證明了中國在航空航天方面堅實的科學(xué)實力。探月工程的啟動表明中國政府探索外星系的決心和信心。正像美國的勇氣號和機遇號機器人在火星 上執(zhí)行作業(yè)一樣，探月工程也需要機器人來完成各種作業(yè)。蛇形機器人有望在這方面得到應(yīng)用。 5) 危險環(huán)境作業(yè) :能夠用身體移動和操作是蛇形機器人有別于其它移動機器人的一大特性。它可以穿越狹小空間、進(jìn)入危險環(huán)境，然后完成操作任務(wù)。安裝合適的傳感器后，也可以應(yīng)用蛇形機器人來完成排雷任務(wù)。 6) 軍事 :蛇形機器人本身體形細(xì)小，加上合適的偽裝后，便于隱身。此外 ，如果蛇形機器人的每個單元都安裝上傳感器，那么它可以用甩掉關(guān)節(jié)的辦法來布置傳感器，形成一個大型的信息系統(tǒng)。 沈陽航空學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 11 7) 作為操作手 :將蛇形機器人的一端固定，那么它就變成一 個具有冗余自由度的操作手，可以完成復(fù)雜的抓取動作。例如 :狹小空間的操作，復(fù)雜環(huán)境下的避碰操作等等 。 綜上所述，蛇形機器人的研究對很多重要領(lǐng)域有著極其重要的意義。但我國在蛇形機器人的研究還在發(fā)展階段，還需要進(jìn)一步地發(fā)展。 沈陽航空學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 12 第 2 章 二自由度蛇形機器人 運動單元的主體設(shè)計 引言 蛇的外形非常簡單，但卻能實現(xiàn)很多運動：蜿蜒運動；法向運動；側(cè)向運動；沿身體方向的拉伸運動；抬起運動等。這些運動大部分是都依靠身體與外界環(huán)境之間的摩擦實現(xiàn)的。 本設(shè)計要求根據(jù)蛇的特點實現(xiàn)以下的功能： （ 1） 能在凹凸不 平 /粗糙的地面推動前進(jìn)、在光滑的表面滑行前進(jìn)。 （ 2） 可以跨過小溝、裂縫。通過驅(qū)動細(xì)長的身體躬起做出符合運動學(xué)的 d穩(wěn)定的姿勢。 蛇形機器人是由一系列聯(lián)接在一起的關(guān)節(jié)組成，每一關(guān)節(jié)都能通過電機 的 連續(xù)地轉(zhuǎn)動實現(xiàn)蛇形機器人的關(guān)節(jié)能來回擺動 和抬起 擺動使機器人與環(huán)境之間就產(chǎn)生相互的作用力從而推動機器人的 前進(jìn) 。 運動原理分析 本設(shè)計中 蛇形機器 人的運動不是靠電機直接驅(qū)動的，而是靠在機器人的個單元間相互擺動時單元體與環(huán)境之間產(chǎn)生的摩擦力實現(xiàn)蜿蜒前進(jìn)運動的。 （圖 單元受力分析圖） 沈陽航空學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 13 （圖 單元運動分 析） 位移 100,.i j ii i ij G G ij j ic cr r r rs s???? ??? ? ? ??? ??????? （ ） 速度 100,ij ii i ij j G G i ij j is cr r r rc s??????? ??? ? ? ??? ??????? （ ） 加速度 120,.i jj ii i i ij j j G G i ij jj isc sr r r rcs c? ? ?????? ?? ? ? ? ??? ? ? ? ???? ? ? ? ????? ? ? ???? （ ） 在方程（ 1） — （ 3） 中， i 是 單元體 i 的長度， Gi 是 單元體 i 到 i 重心的距離， i=0,1,2,......,， ,nnrr和 nr 分別是頭部的位移，速度和加速度。 沈陽航空學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 14 方案確定 驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計 由于直接驅(qū)動的關(guān)節(jié)機構(gòu)采用每個自由度直接用一個電機來驅(qū)動 ， 用減少傳動件的數(shù)量 來達(dá)到減輕單元重量的目的 ， 但效果有限 。 而耦合驅(qū)動是采用合適的機構(gòu)使原來分別驅(qū)動不同自由度的電機共同驅(qū)動幾個自由度 ， 充分利用驅(qū)動資源 ，從而大大增加了機構(gòu)的驅(qū)動力 。 雖然耦合驅(qū)動在控制上存在解耦問題 ， 但通過充分利用現(xiàn)有的計算機技術(shù)可以很容易得到解決 。 考慮到連桿系統(tǒng)建模困難 ， 柔索系統(tǒng)存在剛性問題 ， 而齒輪機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊密 、 活動空間大 、 建模容易的特點 ，我們選擇齒輪機構(gòu)作為耦合驅(qū)動機構(gòu) 。 在此基礎(chǔ)上 ， 我們設(shè)計了耦合驅(qū)動的模塊化萬向單元 。 為便于單元的拆裝和減少設(shè)計及制造成本 。 該蛇形機器人單元采用了模塊化設(shè)計 。 此外 ， 模塊化設(shè) 計可以實現(xiàn)蛇形機器人的可重構(gòu) ， 通過不同的連接可以組合成不同形狀的機器人 蛇形機器人耦合驅(qū)動單元設(shè)計原則 耦合機構(gòu)雖然能夠給蛇形機器人單元帶來較大驅(qū)動力 ， 但同時也增加了每個單元的重量 、 長度 、 降低了每個單元傳動機構(gòu)的傳動效率 ， 具有一定的負(fù)面影響 。因此 ， 在設(shè)計每個單元時 ， 必須考慮到這些因素所帶來的影響 ， 權(quán)衡耦合驅(qū)動機構(gòu)與直接驅(qū)動機構(gòu) ， 從而選擇更加合理的耦合驅(qū)動機構(gòu) 。 耦合機構(gòu)所帶來的正面效果一定要大于由此帶來的負(fù)面影響 ， 否則就失去耦合驅(qū)動的意義 。 機構(gòu)方案的確定 分析二自由度蛇形機器人 的目標(biāo)功能 —— 關(guān)節(jié)間的橫向擺動和縱向抬起后，綜合多方面的考慮后最終確定以下方案：（如圖 ） 沈陽航空學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 15 （圖 機構(gòu)方案簡圖 1’ —— 電機軸 2’ —— 齒輪 3’ —— 齒輪 4’ —— 齒輪 5’ —— 傘齒輪 6—— 傘齒輪 7—— 傘齒輪軸 8—— 大軸） 機構(gòu)方案 簡述：本方案采用 2 個電機偶合驅(qū)動的方式來實現(xiàn)單元體的擺動 及抬起。如圖 所示：電機軸 1’分別與齒輪 2’相連并通過齒輪 4和 2’、 3’、 4’最終將轉(zhuǎn)動傳給傘齒輪（ 5’）。由于兩電機既可以同向轉(zhuǎn)動也可以反向轉(zhuǎn)動，故傘齒輪（ 5’）的轉(zhuǎn)動方向既可以相同也可以相反。當(dāng)傘齒輪 5’轉(zhuǎn)動方向相反時，傘齒輪（ 6）繞傘齒輪的軸（ 7）轉(zhuǎn)動（向左或向右），此時實現(xiàn)單元體的擺動。當(dāng)電機同向轉(zhuǎn)動時傘齒輪之間沒有相對運動，而傘齒輪（ 6）將隨傘齒輪的軸（ 7）一起繞大軸轉(zhuǎn)動。此時機器人的單元體之間實現(xiàn)抬起運動。 傳動方案的確定 考慮到 蛇形機器人的實際應(yīng)用環(huán)境 等因素影響機器人單元體之間的相