【正文】 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 )。 （ 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(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 26 第 3 章 運動學(xué)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。衡量利弊，采用如圖 設(shè)計。 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。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 。由于機器人以較低的速度運動，忽略慣量和動學(xué)效果。改造方法：將電機打開，取出電機中的機械限位即可。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。 為便于單元的拆裝和減少設(shè)計及制造成本 。 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 。例如 :狹小空間的操作，復(fù)雜環(huán)境下的避碰操作等等 。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)。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)。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。該機器人采用繩索驅(qū)動，具有較好的柔性。為與地面有效地 接觸，該機器人的腹部安裝了腳輪。 在電路設(shè)計上采用 485 總線聯(lián)接。這樣的機構(gòu)設(shè)計沈陽航空學(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。蛇形機器人就是在這種條件下孕育而生的。 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。從小鳥的展翅飛翔，到形狀各異的風(fēng)箏， 還有后來更為先進的飛機。 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。 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)。這些啟迪加上人類的聰明才智使科學(xué)技術(shù)不斷進步，推動人類社會發(fā)展。仿生學(xué)將生命原理應(yīng)用到工程系統(tǒng)的研究和設(shè)計中，尤其對當今日益發(fā)展的機器人學(xué)科起到了巨大的推動作用，促進了仿生機器人領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展。除了傳統(tǒng)的車型設(shè)計方法外，機器人學(xué)者把目光轉(zhuǎn)向了生物界，力求從具有各種運動特征的動植物上獲得啟發(fā)，設(shè)計新的仿生機器人。 SolidSnake 利用垂直和水平方向 正交的關(guān)節(jié)來擬和蛇類生物柔軟的身體，每兩個正交的關(guān)節(jié)組成一個單元體，每個單元體相當于一個萬向節(jié)，具有兩個方向的自由度， 整體形成一個 高冗余度的結(jié)構(gòu)體。在機器蛇的頭部配置有紅外線探測頭，可反饋對環(huán)境的監(jiān)視數(shù)據(jù)。該機器人的總長為 2m，具有 20 個關(guān)節(jié)，依靠伺服機構(gòu)來驅(qū)動關(guān)節(jié)左右擺動 [14]。 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。 （ 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。 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國家安全和人民生命財產(chǎn)不受侵害的主題。探月工程的啟動表明中國政府探索外星系的決心和信心。 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。通過驅(qū)動細長的身體躬起做出符合運動學(xué)的 d穩(wěn)定的姿勢。 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 。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。 （圖 FutabaSS3305 的尺寸參數(shù)） （圖 FutabaSS3305 的參數(shù)） 由于 FutabaSS3305 電機的旋轉(zhuǎn)角度為 90 90??，故必須對電機進行改造，使其能夠無限旋轉(zhuǎn) 。本設(shè)計方案中要求蛇形機器人能夠抬起的最多單元體為 3。 （圖 具體 傳動方案實體示意圖） 傘齒輪的具體參數(shù) 如圖 所示，由于特殊的傳動方案及裝配關(guān)系的要求，三個傘齒輪必須是完等徑傘形齒輪。值得注意的是：在使用強力膠的 時候一定不要將電機軸與機身粘一起 ，更不要使齒輪與電機機身粘到一起，影響電機的正常轉(zhuǎn)動，甚至燒壞電機。這點對機器人而減輕整體的重量后，對單元體的強度要求也可以相對降低。 圖 其中差動輪系由三個傘齒輪組成 ， 通過與左右兩個電機相連的兩對傘齒輪驅(qū)動 ， 可以得出沈陽航空學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 25 ?當兩個電機同向同速轉(zhuǎn)動時 ， 共同驅(qū)動單元做擺動運動 ； 當同速反向轉(zhuǎn)動時 ， 共同驅(qū)動單元做俯仰運動 ； 當兩個電機以不同速度轉(zhuǎn)動時 ， 實現(xiàn)的是既有擺動又有俯仰的復(fù)合運動 。馬書根教授從肌肉的力學(xué)分析角度證明了此種曲線，并從動力學(xué)角度分析了采用蛇形曲線的蛇形機器人的運動 。所以，有必要對這一運動規(guī)劃加以改進。分析（如 下圖 ） 2 2 21111()22kki i iiiK m y z I ???? ? ??? 1kiiP m gz??? （ ） 沈陽航空學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 30 （圖 蛇形機器人抬頭模型 ） 式中 K,P—— 分別為系統(tǒng)的動能和位能； m, I—— 分別為單元的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量； ki r jji? ? ???? ? —— 單元的絕對角度； rj? —— 單元之間的相對轉(zhuǎn)角； i = 1,2,Ln—— 單元標號為 (見圖 )； k—— 表示當前正在抬起的單元； ( yi , zi )—— 單元重心坐標 (設(shè)定在單元的中心 ) 蛇形機器人抬頭運動的幾何約束方程為： 沈陽航空學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 31 112 c o s c o ski k j ijiy y l l?????? ? ?? 112 s i n s i nki k j ijiz z l l?????? ? ?? （ ） 12 s i n s i nki j j i ijiz l l? ? ? ???? ? ?? 12 c o s c o ski j j i ijiz l l? ? ? ?????? （ ） Lagrange 動力學(xué)方程為 ( L = K ? P )： ( 1 , 2 , . . . )ir i r id L L ikdt ??????? ? ? ??????? （ ） 將公式 ()，公式 ()，公式 ()代入公式 ()，可以計算出運動部 分的關(guān)節(jié)力矩 τ 。方法 2(見圖 )：將在地面上靜止放置的所有單元作為一個連桿來進行受力分析，然后按照材料力學(xué)的均勻受力情況求解各個位置的力矩。要實現(xiàn)高的環(huán)境適應(yīng)性，除了設(shè)計有效的運動步伐外，還需要控制方法和傳感器的有效的設(shè)計和選擇。因此必須進行大量的實驗來驗證系統(tǒng)的可靠性和實際應(yīng)用能力。這部分需要大量的工作。 沈陽航空學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 35 寄語 經(jīng)過 16 周緊張畢業(yè)設(shè)計，使我進一步地加強了對大學(xué)四年所學(xué)的機械方面知識 的綜合運用能力。設(shè)靜止部分第 h +1 個單元之前的重力用來平衡抬起部分力矩，可以得到如下力矩平衡不等式： 22( ) ( 1 )kh k m g l h k m g l?? ? ? ? ? ? （ ） 該式的前部分表示用 h ? k 個單元不能平衡抬起部分的運動力矩，后部分表示當再加一個 單 元的時候可以平衡抬起部分的運動力矩。 (a) 參數(shù)為 α =?π/3,ω =1,β = π/6,λ = 的相對轉(zhuǎn)角變化 (a) The relative angle at α =?π/3,ω =1,β = π/6,λ = 沈陽航空學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 29 (b) 參數(shù)為 α = ?π/3,ω =1,β = π/6,λ =1 的相 對轉(zhuǎn)角變化 (b) The relative angle at α = ?π/3,ω =1,β = π/6,λ =1 （ 圖 參數(shù)變化） 機器人抬頭運動的動力學(xué)分析 當蛇形機器人以較大速度運動時，其慣性不可以忽略，必須對蛇形機器人抬頭運動作動力學(xué)分析。這樣就使后臺操作者能夠很容易根據(jù)圖像信息判斷機器人方位，隨時調(diào)整 由于各種原因引起的機器人方位偏離。③收縮運動：是蛇在比較光滑平面或狹小空間下采用的一種運動方式。由于蛇形機器人的整體運動是由很多這樣的單元體組成的，而蛇形機器人的整體則是由很多點與地面接觸沈陽航空學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 24 的，而由于蛇的運動曲線的特殊性（如圖 ），這些接觸點幾乎不可能在同一的直線上的，而是相互組成多邊形（如圖 ），這樣以來整個蛇形機器人就會很穩(wěn)定。 具體的定位方案如圖 所示：軸承與軸之間通過公差實現(xiàn)過度配合并與軸肩一同實現(xiàn)軸承的定位。 沈陽航空學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 21 但由于軸的尺寸設(shè)計具體涉及到很多內(nèi)容以及很