【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。 蛇形機器人單元之間的擺動和抬起運動本文采用耦合驅(qū)動的方式來實現(xiàn)。沈陽航空學院學士學位論文 1 摘 要 本 文研究的主要內(nèi)容是二自由度蛇形機器人單元設(shè)計。 扭轉(zhuǎn)運動是蛇形機器人的有效運動方式，利用該步伐蛇形機器人可以跨越障礙。 mechanism design。從小鳥的展翅飛翔，到形狀各異的風箏， 還有后來更為先進的飛機?？梢哉f仿生學的研究對科學技術(shù)和社會的發(fā)展起著舉足輕重的作用。 在絕大多數(shù)人眼中，蛇是一種可怕的動物，甚至有很多人不愿意提及或看到這種動物。當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)和運動特點，設(shè)計和研究蛇形機器人的結(jié)構(gòu)和運動，是從仿生學的角度出發(fā)研制有利于人類社會的機器人。蛇形機器人就是在這種條件下孕育而生的。 蛇形 機器人的國內(nèi)外研究狀況 蛇形機器人的研究開創(chuàng)了仿生機器人研究的新領(lǐng)域，同時由于蛇形機器人的廣泛應(yīng)用前景，世界上各個國家的機器人愛好者紛紛開始了蛇形機器人的研究 。這樣的機構(gòu)設(shè)計沈陽航空學院學士學位論文 5 使蛇體具有向任何方向彎曲的能力。為了減少機器蛇的運動中的摩擦阻力，在機器蛇兩側(cè)安裝有從動輪，實現(xiàn)了蛇體的平穩(wěn)游動，增強了蛇形機器人的靈活性和機動性。 在電路設(shè)計上采用 485 總線聯(lián)接。隨著研究的深入展開，蛇形機器人研究 與應(yīng)用一定會有更廣闊的天地。為與地面有效地 接觸，該機器人的腹部安裝了腳輪。 ACMR3 機器人采用完全無線控制的方式，每個關(guān)節(jié)自帶電源。該機器人采用繩索驅(qū)動，具有較好的柔性。哈爾濱工業(yè)大學機器人研究所，上海交通大學等單位首先進行了蛇形機器人仿生方面的一些研究工作。目前，北京航天航空大學等單位也開始蛇形機器人的相關(guān)研究工作。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。機器人學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)。 3) 醫(yī)療 :設(shè)計小型的移動機器人，進入人體器官 (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。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)。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)。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。 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 。 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 。 為便于單元的拆裝和減少設(shè)計及制造成本 。 耦合機構(gòu)所帶來的正面效果一定要大于由此帶來的負面影響 ， 否則就失去耦合驅(qū)動的意義 。當傘齒輪 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。 電機的選擇 沈陽航空學院學士學位論文 16 電機將選擇 FutabaSS3305。改造方法：將電機打開，取出電機中的機械限位即可。 根據(jù)確定的機構(gòu)初步估算單元體 主要需要由以下部分組成：電機底架、支撐板、齒輪、傘齒輪、軸、蛇身、摩擦輪等，大部分材料為鋁合金。由于機器人以較低的速度運動，忽略慣量和動學效果。 傳動中正齒輪本設(shè)計選擇 SSY 正齒輪系列，此系列齒輪的規(guī)格如表 沈陽航空學院學士學位論文 18 表 SSY 系列正齒輪規(guī)格： 從電機軸到大軸要實現(xiàn)的傳動比為 2： 1，而這過程要經(jīng)過 3 個正齒輪來實現(xiàn)。為簡便起見，本設(shè)計將選擇完全相同的三個等徑傘形齒輪，其具體規(guī)格以及具體參數(shù)如下表 和表 。本說明書將主要對大軸進行強度 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)計中軸承的定位是通過軸 肩、套桶和軸承蓋等手段實現(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)實現(xiàn)定位。衡量利弊，采用如圖 設(shè)計。 （圖 蛇的運動曲線） （圖 單元體接觸點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) 。 （ 圖 212 蛇形機器人的單元整體圖） 表 單元體的參數(shù) 沈陽航空學院學士學位論文 26 第 3 章 運動學分析 蛇形機器人運動曲線 自然界中蛇的運動形式可大致分為四種：①蜿蜒運動：是最常見也是運動效率最高的運動形式。④側(cè)向運動：更確切的說應(yīng)該叫做斜側(cè)運動，是沙漠中響尾蛇的一種 運動方式，在向前運動的同時產(chǎn)生側(cè)向運動。 蜿蜒運動的分析 （圖 蛇形曲線） 蛇形曲線 (如圖 所示 )的曲率方程為： sin( )b bs???? （ 31） 沈陽航空學院學士學位論文 27 式中 ? —— 幅值角 (rad)； b —— 比例常數(shù) (rad/m)； s —— 蛇形曲線長度 (m) 公式 (31)對 s 積分得沿曲線角度的表達式 ( ) co s( )s b s??? （ 32） 根據(jù)（ 320 公式，蛇形機器人關(guān)節(jié)相對轉(zhuǎn)角 為 ( ) ( ) 2 s i n ( ) s i n ( )s l s l b l b s? ? ? ?? ? ? ? ? ? (33) 式中 2l —— 蛇形機器人的單元長度 將上式改寫成各個關(guān)節(jié)角關(guān)于時間的函數(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 個關(guān)節(jié)； t—— 時間； n—— 為機器人運動關(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方向，在運動過程中，蛇頭是始終指 向運動波形前進方向 (如圖 所示 )。通常，蛇形機器人的起始狀態(tài)構(gòu)形是一條直線。為此，提出關(guān)節(jié)運動輸入函數(shù)為 ： ( ) ( ) s i n ( ( ) )t A l e t t i l? ? ? ?? ? ? ? ? （ ） 式中 1? e?λt—— 對波形從直線到蛇形曲線規(guī)劃的表達式該函數(shù)避免了插值規(guī)劃， 而且可以使蛇形機器人始終滿足蛇形曲線的形狀。上面提出的運動學將蛇形機器人的抬頭運動分為靜止階段和運動階段。 （ 圖 靜止部分受力分析 1） 沈陽航空學院學士學位論文 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單元的支反力和各個關(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。 ? 由動力學方程式 ()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； (