【正文】 elop a snakelike robot. The snakelike 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 redundant actuators. In order to apply snakelike robots to the unstructured environment, the researchers have designed many gaits for increasing the adaptability to a variety of surroundings. The twistrelated lootion is an effective gait achieved by jointly driving the pitchingDOF and yawingDOF, with which the snakelike robot can move on rough ground and even climb up some obstacles. The twistrelated lootion function is firstly solved, and simplified to be expressed by sine orcosine function. The 2D lootion such as Vshape and Ushape is achieved. Alsoby applying it to the serpentine lootion or other types of lootion, thesnakelike robot can plete posite lootion that bines the serpentinelootion or others with twistrelated lootion. We extend the twistrelated lootion to 3D space. The experimental results are presented to validate all above analyses. Keywords: snakelike robot。 蛇形機(jī)器人單元之間的擺動(dòng)和抬起運(yùn)動(dòng)本文采用耦合驅(qū)動(dòng)的方式來實(shí)現(xiàn)。沈陽航空學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 1 摘 要 本 文研究的主要內(nèi)容是二自由度蛇形機(jī)器人單元設(shè)計(jì)。 扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是蛇形機(jī)器人的有效運(yùn)動(dòng)方式，利用該步伐蛇形機(jī)器人可以跨越障礙。 mechanism design。從小鳥的展翅飛翔，到形狀各異的風(fēng)箏， 還有后來更為先進(jìn)的飛機(jī)?？梢哉f仿生學(xué)的研究對(duì)科學(xué)技術(shù)和社會(huì)的發(fā)展起著舉足輕重的作用。 在絕大多數(shù)人眼中，蛇是一種可怕的動(dòng)物，甚至有很多人不愿意提及或看到這種動(dòng)物。當(dāng)然本文并不是研究生物蛇和人類的關(guān)系，而是根據(jù)蛇的生理結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)和研究蛇形機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)，是從仿生學(xué)的角度出發(fā)研制有利于人類社會(huì)的機(jī)器人。蛇形機(jī)器人就是在這種條件下孕育而生的。 蛇形 機(jī)器人的國內(nèi)外研究狀況 蛇形機(jī)器人的研究開創(chuàng)了仿生機(jī)器人研究的新領(lǐng)域，同時(shí)由于蛇形機(jī)器人的廣泛應(yīng)用前景，世界上各個(gè)國家的機(jī)器人愛好者紛紛開始了蛇形機(jī)器人的研究 。這樣的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)沈陽航空學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 5 使蛇體具有向任何方向彎曲的能力。為了減少機(jī)器蛇的運(yùn)動(dòng)中的摩擦阻力，在機(jī)器蛇兩側(cè)安裝有從動(dòng)輪，實(shí)現(xiàn)了蛇體的平穩(wěn)游動(dòng)，增強(qiáng)了蛇形機(jī)器人的靈活性和機(jī)動(dòng)性。 在電路設(shè)計(jì)上采用 485 總線聯(lián)接。隨著研究的深入展開，蛇形機(jī)器人研究 與應(yīng)用一定會(huì)有更廣闊的天地。為與地面有效地 接觸，該機(jī)器人的腹部安裝了腳輪。 ACMR3 機(jī)器人采用完全無線控制的方式，每個(gè)關(guān)節(jié)自帶電源。該機(jī)器人采用繩索驅(qū)動(dòng)，具有較好的柔性。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。目前，北京航天航空大學(xué)等單位也開始蛇形機(jī)器人的相關(guān)研究工作。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。機(jī)器人學(xué)的研究人員制作了形式各異的機(jī)器人來代替人去完成防恐防爆和救援傷員的任務(wù)。 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。正像美國的勇氣號(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)器人來完成各種作業(yè)。安裝合適的傳感器后，也可以應(yīng)用蛇形機(jī)器人來完成排雷任務(wù)。例如 :狹小空間的操作，復(fù)雜環(huán)境下的避碰操作等等 。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。 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) 。 而耦合驅(qū)動(dòng)是采用合適的機(jī)構(gòu)使原來分別驅(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 。 為便于單元的拆裝和減少設(shè)計(jì)及制造成本 。 耦合機(jī)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(dòng)的意義 。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)。 電機(jī)的選擇 沈陽航空學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 16 電機(jī)將選擇 FutabaSS3305。改造方法：將電機(jī)打開，取出電機(jī)中的機(jī)械限位即可。 根據(jù)確定的機(jī)構(gòu)初步估算單元體 主要需要由以下部分組成：電機(jī)底架、支撐板、齒輪、傘齒輪、軸、蛇身、摩擦輪等，大部分材料為鋁合金。由于機(jī)器人以較低的速度運(yùn)動(dòng)，忽略慣量和動(dòng)學(xué)效果。 傳動(dòng)中正齒輪本設(shè)計(jì)選擇 SSY 正齒輪系列，此系列齒輪的規(guī)格如表 沈陽航空學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 18 表 SSY 系列正齒輪規(guī)格： 從電機(jī)軸到大軸要實(shí)現(xiàn)的傳動(dòng)比為 2： 1，而這過程要經(jīng)過 3 個(gè)正齒輪來實(shí)現(xiàn)。為簡(jiǎn)便起見，本設(shè)計(jì)將選擇完全相同的三個(gè)等徑傘形齒輪，其具體規(guī)格以及具體參數(shù)如下表 和表 。本說明書將主要對(duì)大軸進(jìn)行強(qiáng)度 校核 。 第二組齒輪與其軸的安裝方法（如圖 ） 在一般傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中軸承的定位是通過軸 肩、套桶和軸承蓋等手段實(shí)現(xiàn)定位的。而齒輪與軸承之間的定位則如圖 所示通過階梯和固定環(huán)實(shí)現(xiàn)定位。衡量利弊，采用如圖 設(shè)計(jì)。 （圖 蛇的運(yùn)動(dòng)曲線） （圖 單元體接觸點(diǎn)之間組成的多邊形示意圖） 單元體整體 描述 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(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) 。 （ 圖 212 蛇形機(jī)器人的單元整體圖） 表 單元體的參數(shù) 沈陽航空學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 26 第 3 章 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 蛇形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)曲線 自然界中蛇的運(yùn)動(dòng)形式可大致分為四種：①蜿蜒運(yùn)動(dòng)：是最常見也是運(yùn)動(dòng)效率最高的運(yùn)動(dòng)形式。④側(cè)向運(yùn)動(dòng)：更確切的說應(yīng)該叫做斜側(cè)運(yùn)動(dòng)，是沙漠中響尾蛇的一種 運(yùn)動(dòng)方式，在向前運(yùn)動(dòng)的同時(shí)產(chǎn)生側(cè)向運(yùn)動(dòng)。 蜿蜒運(yùn)動(dòng)的分析 （圖 蛇形曲線） 蛇形曲線 (如圖 所示 )的曲率方程為： sin( )b bs???? （ 31） 沈陽航空學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 27 式中 ? —— 幅值角 (rad)； b —— 比例常數(shù) (rad/m)； s —— 蛇形曲線長(zhǎng)度 (m) 公式 (31)對(duì) s 積分得沿曲線角度的表達(dá)式 ( ) co s( )s b s??? （ 32） 根據(jù)（ 320 公式，蛇形機(jī)器人關(guān)節(jié)相對(duì)轉(zhuǎn)角 為 ( ) ( ) 2 s i n ( ) s i n ( )s l s l b l b s? ? ? ?? ? ? ? ? ? (33) 式中 2l —— 蛇形機(jī)器人的單元長(zhǎng)度 將上式改寫成各個(gè)關(guān)節(jié)角關(guān)于時(shí)間的函數(shù)得 ? ?? ?( ) s int A t i l? ? ?? ? ? (34) 式中 A = ?2α sin(bl) ； ω t = bs ； β = 2bl ； i = 1,L, n 表示第 i 個(gè)關(guān)節(jié)； t—— 時(shí)間； n—— 為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的數(shù)量 為獲得更多有利的環(huán)境信息和保證自己的前進(jìn)方向，在運(yùn)動(dòng)過程中，蛇頭是始終指 向運(yùn)動(dòng)波形前進(jìn)方向 (如圖 所示 )。通常，蛇形機(jī)器人的起始狀態(tài)構(gòu)形是一條直線。為此，提出關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)輸入函數(shù)為 ： ( ) ( ) s i n ( ( ) )t A l e t t i l? ? ? ?? ? ? ? ? （ ） 式中 1? e?λt—— 對(duì)波形從直線到蛇形曲線規(guī)劃的表達(dá)式該函數(shù)避免了插值規(guī)劃， 而且可以使蛇形機(jī)器人始終滿足蛇形曲線的形狀。上面提出的運(yùn)動(dòng)學(xué)將蛇形機(jī)器人的抬頭運(yùn)動(dòng)分為靜止階段和運(yùn)動(dòng)階段。 （ 圖 靜止部分受力分析 1） 沈陽航空學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 32 （ 圖 靜止部分受力分析 2） 靜止部分的力分析 地面上靜止放置的各個(gè)單元的支反力和各個(gè)關(guān)節(jié)力矩的解屬于靜不定問題，關(guān)節(jié)力矩存在多解的情況。 ? 由動(dòng)力學(xué)方程式 ()求得。力平衡和力矩平衡方程為： ( ) 0zF q F G? ? ? ( ) ( ) 0kzM q F n k l?? ? ? ? （ ） 式中 ()Fq—— 支反力的合力； ZF —— 抬起部分的 反作用力； (