【正文】 R3 機(jī)器人采用完全無(wú)線控制的方式，每個(gè)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(yùn)動(dòng)和完成復(fù)雜的三 動(dòng)作。 （ 圖 ACMIII） 沈陽(yáng)航空學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 7 （ 圖 ACMR3 蛇形機(jī)器人 ） 表 ACMR3 蛇形機(jī)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(jī)器人（見(jiàn)圖），該機(jī)器人的機(jī)構(gòu)采用了特殊的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，具有 6 個(gè)管狀的連桿，長(zhǎng) ，直徑 42mm，重 ，能夠?qū)崿F(xiàn)三維空間運(yùn)動(dòng)，可以應(yīng)用在危險(xiǎn)情況下的勘查和營(yíng)救工作 。 NASA 的 JPL 采用了 NEC 的蛇形機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種 Serpentine robot，該機(jī)器人約 1m 長(zhǎng)，直徑 4cm，重量為 ，具有 12 個(gè)自由度（見(jiàn)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(yáng)航空學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 8 圖 NEC 的蛇形機(jī)器人 （ 圖 JPL 操作手 ） 德國(guó)的 GMD 研制了蛇形機(jī)器人。該機(jī)器人采用繩索驅(qū)動(dòng)，具有較好的柔性。此外，在蛇形機(jī)器人上安裝了紅外線傳感器來(lái)檢測(cè)環(huán)境信息（見(jiàn)圖 ）。 （ 圖 德國(guó) GMD 的兩代蛇形機(jī)器人 ） 沈陽(yáng)航空學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 9 此外，還有很多蛇形機(jī)器人先后被開(kāi)發(fā) ，這里就不一一介紹了。 國(guó)內(nèi)研究情況 在我國(guó)，蛇形機(jī)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(jī)器人研究所，上海交通大學(xué)等單位首先進(jìn)行了蛇形機(jī)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(guó)正于 1999 年 3 月研制了我國(guó)第一臺(tái)微小型仿蛇機(jī)器人樣機(jī)，該機(jī)構(gòu)由一系列剛性連桿連接而成，步進(jìn)電機(jī)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(dòng)，樣機(jī)底面裝有滾動(dòng)軸承作為被動(dòng)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(guó)防科技技術(shù)大學(xué)研制了一個(gè)蛇形機(jī)器人樣機(jī) [53](圖 )，該樣機(jī)不但可以實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，而且采用密封外皮后，能在水面上實(shí)現(xiàn)蜿蜒運(yùn)動(dòng)。 （ 圖 國(guó)防科技大學(xué)的蛇形機(jī)器人 ） 中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所機(jī)器人重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室也開(kāi)始了蛇形機(jī)器人 的研究，并提出一種新型蛇形機(jī)器人結(jié)構(gòu) [5459]（見(jiàn)圖 .9），可實(shí)現(xiàn)多種適應(yīng)環(huán)境的平面和空間運(yùn)動(dòng)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(kāi)始蛇形機(jī)器人的相關(guān)研究工作。 （ 圖 中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所的蛇形機(jī)器人 ） 沈陽(yáng)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(lái)，機(jī)器人科學(xué)家們就開(kāi)始了仿生機(jī)器人的研究。 研究蛇形機(jī)器人的意義 蛇形機(jī)器人具有很多優(yōu)點(diǎn)，能夠應(yīng)用到很多復(fù)雜和危險(xiǎn)的環(huán)境中。雖然目前蛇形機(jī)器人的研究尚處在實(shí)驗(yàn)階段，但蛇形機(jī)器人有廣泛的應(yīng)用前景。蛇形機(jī)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(xiǎn)和狀況檢查 :代替或部分代替人去完成危險(xiǎn)環(huán)境中的作業(yè)是研制機(jī)器人的主要目的之一?？茖W(xué)探險(xiǎn)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?yàn)榄h(huán)境和氣候惡劣，無(wú)法到達(dá)目的地完成指定的探險(xiǎn)任務(wù)。非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的作業(yè)和運(yùn)動(dòng)對(duì)機(jī)器人的性能和運(yùn)動(dòng)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(guó)紐約的 911 事件之后，防恐防爆成為各個(gè)國(guó)家維護(hù)國(guó)家安全和人民生命財(cái)產(chǎn)不受侵害的主題。機(jī)器人學(xué)的研究人員制作了形式各異的機(jī)器人來(lái)代替人去完成防恐防爆和救援傷員的任務(wù)。蛇形機(jī)器人也適合于完成災(zāi)難救 援任務(wù)。特別是蛇形機(jī)器人身體的各個(gè)部分都與地面接觸，對(duì)地面的壓力均勻而且非常小，適合在災(zāi)難后的危險(xiǎn)建筑中運(yùn)動(dòng)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(jì)小型的移動(dòng)機(jī)器人，進(jìn)入人體器官 (如腸道、血管 )完成手術(shù)和定點(diǎn)給藥是機(jī)器人研究的一個(gè)新的熱門領(lǐng)域。如果將蛇形機(jī)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(hào)飛船的順利返航證明了中國(guó)在航空航天方面堅(jiān)實(shí)的科學(xué)實(shí)力。探月工程的啟動(dòng)表明中國(guó)政府探索外星系的決心和信心。正像美國(guó)的勇氣號(hào)和機(jī)遇號(hào)機(jī)器人在火星 上執(zhí)行作業(yè)一樣，探月工程也需要機(jī)器人來(lái)完成各種作業(yè)。蛇形機(jī)器人有望在這方面得到應(yīng)用。 5) 危險(xiǎn)環(huán)境作業(yè) :能夠用身體移動(dòng)和操作是蛇形機(jī)器人有別于其它移動(dòng)機(jī)器人的一大特性。它可以穿越狹小空間、進(jìn)入危險(xiǎn)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(jī)器人來(lái)完成排雷任務(wù)。 6) 軍事 :蛇形機(jī)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(jī)器人的每個(gè)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(lái)布置傳感器，形成一個(gè)大型的信息系統(tǒng)。 沈陽(yáng)航空學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 11 7) 作為操作手 :將蛇形機(jī)器人的一端固定，那么它就變成一 個(gè)具有冗余自由度的操作手，可以完成復(fù)雜的抓取動(dòng)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(jī)器人的研究對(duì)很多重要領(lǐng)域有著極其重要的意義。但我國(guó)在蛇形機(jī)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(yáng)航空學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 12 第 2 章 二自由度蛇形機(jī)器人 運(yùn)動(dòng)單元的主體設(shè)計(jì) 引言 蛇的外形非常簡(jiǎn)單，但卻能實(shí)現(xiàn)很多運(yùn)動(dòng)：蜿蜒運(yùn)動(dòng)；法向運(yùn)動(dòng)；側(cè)向運(yùn)動(dòng)；沿身體方向的拉伸運(yùn)動(dòng)；抬起運(yùn)動(dòng)等。這些運(yùn)動(dòng)大部分是都依靠身體與外界環(huán)境之間的摩擦實(shí)現(xiàn)的。 本設(shè)計(jì)要求根據(jù)蛇的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)以下的功能： （ 1） 能在凹凸不 平 /粗糙的地面推動(dòng)前進(jìn)、在光滑的表面滑行前進(jìn)。 （ 2） 可以跨過(guò)小溝、裂縫。通過(guò)驅(qū)動(dòng)細(xì)長(zhǎng)的身體躬起做出符合運(yùn)動(dòng)學(xué)的 d穩(wěn)定的姿勢(shì)。 蛇形機(jī)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(guò)電機(jī) 的 連續(xù)地轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)蛇形機(jī)器人的關(guān)節(jié)能來(lái)回?cái)[動(dòng) 和抬起 擺動(dòng)使機(jī)器人與環(huán)境之間就產(chǎn)生相互的作用力從而推動(dòng)機(jī)器人的 前進(jìn) 。 運(yùn)動(dòng)原理分析 本設(shè)計(jì)中 蛇形機(jī)器 人的運(yùn)動(dòng)不是靠電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的，而是靠在機(jī)器人的個(gè)單元間相互擺動(dòng)時(shí)單元體與環(huán)境之間產(chǎn)生的摩擦力實(shí)現(xiàn)蜿蜒前進(jìn)運(yùn)動(dòng)的。 （圖 單元受力分析圖） 沈陽(yáng)航空學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 13 （圖 單元運(yùn)動(dòng)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(zhǎng)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(yáng)航空學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 14 方案確定 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 由于直接驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)采用每個(gè)自由度直接用一個(gè)電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng) ， 用減少傳動(dòng)件的數(shù)量 來(lái)達(dá)到減輕單元重量的目的 ， 但效果有限 。 而耦合驅(qū)動(dòng)是采用合適的機(jī)構(gòu)使原來(lái)分別驅(qū)動(dòng)不同自由度的電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)幾個(gè)自由度 ， 充分利用驅(qū)動(dòng)資源 ，從而大大增加了機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力 。 雖然耦合驅(qū)動(dòng)在控制上存在解耦問(wèn)題 ， 但通過(guò)充分利用現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)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(wèn)題 ， 而齒輪機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊密 、 活動(dòng)空間大 、 建模容易的特點(diǎn) ，我們選擇齒輪機(jī)構(gòu)作為耦合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 。 在此基礎(chǔ)上 ， 我們?cè)O(shè)計(jì)了耦合驅(qū)動(dòng)的模塊化萬(wàn)向單元 。 為便于單元的拆裝和減少設(shè)計(jì)及制造成本 。 該蛇形機(jī)器人單元采用了模塊化設(shè)計(jì) 。 此外 ， 模塊化設(shè) 計(jì)可以實(shí)現(xiàn)蛇形機(jī)器人的可重構(gòu) ， 通過(guò)不同的連接可以組合成不同形狀的機(jī)器人 蛇形機(jī)器人耦合驅(qū)動(dòng)單元設(shè)計(jì)原則 耦合機(jī)構(gòu)雖然能夠給蛇形機(jī)器人單元帶來(lái)較大驅(qū)動(dòng)力 ， 但同時(shí)也增加了每個(gè)單元的重量 、 長(zhǎng)度 、 降低了每個(gè)單元傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率 ， 具有一定的負(fù)面影響 。因此 ， 在設(shè)計(jì)每個(gè)單元時(shí) ， 必須考慮到這些因素所帶來(lái)的影響 ， 權(quán)衡耦合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與直接驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) ， 從而選擇更加合理的耦合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 。 耦合機(jī)構(gòu)所帶來(lái)的正面效果一定要大于由此帶來(lái)的負(fù)面影響 ， 否則就失去耦合驅(qū)動(dòng)的意義 。 機(jī)構(gòu)方案的確定 分析二自由度蛇形機(jī)器人 的目標(biāo)功能 —— 關(guān)節(jié)間的橫向擺動(dòng)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(yáng)航空學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 15 （圖 機(jī)構(gòu)方案簡(jiǎn)圖 1’ —— 電機(jī)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(jī)構(gòu)方案 簡(jiǎn)述：本方案采用 2 個(gè)電機(jī)偶合驅(qū)動(dòng)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)單元體的擺動(dòng) 及抬起。如圖 所示：電機(jī)軸 1’分別與齒輪 2’相連并通過(guò)齒輪 4和 2’、 3’、 4’最終將轉(zhuǎn)動(dòng)傳給傘齒輪（ 5’）。由于兩電機(jī)既可以同向轉(zhuǎn)動(dòng)也可以反向轉(zhuǎn)動(dòng)，故傘齒輪（ 5’）的轉(zhuǎn)動(dòng)方向既可以相同也可以相反。當(dāng)傘齒輪 5’轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反時(shí)，傘齒輪（ 6）繞傘齒輪的軸（ 7）轉(zhuǎn)動(dòng)（向左或向右），此時(shí)實(shí)現(xiàn)單元體的擺動(dòng)。當(dāng)電機(jī)同向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)傘齒輪之間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而傘齒輪（ 6）將隨傘齒輪的軸（ 7）一起繞大軸轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí)機(jī)器人的單元體之間實(shí)現(xiàn)抬起運(yùn)動(dòng)。 傳動(dòng)方案的確定 考慮到 蛇形機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境 等因素影響機(jī)器人單元體之間的相