【正文】 的單元長度 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 )。 （ 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。衡量利弊，采用如圖 設(shè)計(jì)。 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。為簡便起見，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 。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。改造方法：將電機(jī)打開，取出電機(jī)中的機(jī)械限位即可。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)。 為便于單元的拆裝和減少設(shè)計(jì)及制造成本 。 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) 。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(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)。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)。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。該機(jī)器人采用繩索驅(qū)動(dòng)，具有較好的柔性。為與地面有效地 接觸，該機(jī)器人的腹部安裝了腳輪。 在電路設(shè)計(jì)上采用 485 總線聯(lián)接。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。蛇形機(jī)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(dòng)物，甚至有很多人不愿意提及或看到這種動(dòng)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(jìn)的飛機(jī)。 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。 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)。這些啟迪加上人類的聰明才智使科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步，推動(dòng)人類社會(huì)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(jì)中，尤其對(duì)當(dāng)今日益發(fā)展的機(jī)器人學(xué)科起到了巨大的推動(dòng)作用，促進(jìn)了仿生機(jī)器人領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展。除了傳統(tǒng)的車型設(shè)計(jì)方法外，機(jī)器人學(xué)者把目光轉(zhuǎn)向了生物界，力求從具有各種運(yùn)動(dòng)特征的動(dòng)植物上獲得啟發(fā)，設(shè)計(jì)新的仿生機(jī)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(gè)正交的關(guān)節(jié)組成一個(gè)單元體，每個(gè)單元體相當(dāng)于一個(gè)萬向節(jié)，具有兩個(gè)方向的自由度， 整體形成一個(gè) 高冗余度的結(jié)構(gòu)體。在機(jī)器蛇的頭部配置有紅外線探測頭，可反饋對(duì)環(huán)境的監(jiān)視數(shù)據(jù)。該機(jī)器人的總長為 2m，具有 20 個(gè)關(guān)節(jié)，依靠伺服機(jī)構(gòu)來驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)左右擺動(dòng) [14]。 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，直徑 4cm，重量為 ，具有 12 個(gè)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(jī)器人 （ 圖 JPL 操作手 ） 德國的 GMD 研制了蛇形機(jī)器人。 （ 圖 國防科技大學(xué)的蛇形機(jī)器人 ） 中科院沈陽自動(dòng)化所機(jī)器人重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室也開始了蛇形機(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。 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(gè)國家維護(hù)國家安全和人民生命財(cái)產(chǎn)不受侵害的主題。探月工程的啟動(dòng)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(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。通過驅(qū)動(dòng)細(xì)長的身體躬起做出符合運(yùn)動(dòng)學(xué)的 d穩(wěn)定的姿勢。 在此基礎(chǔ)上 ， 我們?cè)O(shè)計(jì)了耦合驅(qū)動(dòng)的模塊化萬向單元 。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。 （圖 FutabaSS3305 的尺寸參數(shù)） （圖 FutabaSS3305 的參數(shù)） 由于 FutabaSS3305 電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度為 90 90??，故必須對(duì)電機(jī)進(jìn)行改造，使其能夠無限旋轉(zhuǎn) 。本設(shè)計(jì)方案中要求蛇形機(jī)器人能夠抬起的最多單元體為 3。 （圖 具體 傳動(dòng)方案實(shí)體示意圖） 傘齒輪的具體參數(shù) 如圖 所示，由于特殊的傳動(dòng)方案及裝配關(guān)系的要求，三個(gè)傘齒輪必須是完等徑傘形齒輪。值得注意的是：在使用強(qiáng)力膠的 時(shí)候一定不要將電機(jī)軸與機(jī)身粘一起 ，更不要使齒輪與電機(jī)機(jī)身粘到一起，影響電機(jī)的正常轉(zhuǎn)動(dòng)，甚至燒壞電機(jī)。這點(diǎn)對(duì)機(jī)器人而減輕整體的重量后，對(duì)單元體的強(qiáng)度要求也可以相對(duì)降低。 圖 其中差動(dòng)輪系由三個(gè)傘齒輪組成 ， 通過與左右兩個(gè)電機(jī)相連的兩對(duì)傘齒輪驅(qū)動(dòng) ， 可以得出沈陽航空學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 25 ?當(dāng)兩個(gè)電機(jī)同向同速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí) ， 共同驅(qū)動(dòng)單元做擺動(dòng)運(yùn)動(dòng) ； 當(dāng)同速反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí) ， 共同驅(qū)動(dòng)單元做俯仰運(yùn)動(dòng) ； 當(dāng)兩個(gè)電機(jī)以不同速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí) ， 實(shí)現(xiàn)的是既有擺動(dòng)又有俯仰的復(fù)合運(yùn)動(dòng) 。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(dòng)力學(xué)角度分析了采用蛇形曲線的蛇形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng) 。所以，有必要對(duì)這一運(yùn)動(dòng)規(guī)劃加以改進(jìn)。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(jī)器人抬頭模型 ） 式中 K,P—— 分別為系統(tǒng)的動(dòng)能和位能； m, I—— 分別為單元的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； ki r jji? ? ???? ? —— 單元的絕對(duì)角度； rj? —— 單元之間的相對(duì)轉(zhuǎn)角； i = 1,2,Ln—— 單元標(biāo)號(hào)為 (見圖 )； k—— 表示當(dāng)前正在抬起的單元； ( yi , zi )—— 單元重心坐標(biāo) (設(shè)定在單元的中心 ) 蛇形機(jī)器人抬頭運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(jì)算出運(yùn)動(dòng)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(gè)連桿來進(jìn)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(gè)位置的力矩。要實(shí)現(xiàn)高的環(huán)境適應(yīng)性，除了設(shè)計(jì)有效的運(yùn)動(dòng)步伐外，還需要控制方法和傳感器的有效的設(shè)計(jì)和選擇。因此必須進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性和實(shí)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(jì)，使我進(jìn)一步地加強(qiáng)了對(duì)大學(xué)四年所學(xué)的機(jī)械方面知識(shí) 的綜合運(yùn)用能力。設(shè)靜止部分第 h +1 個(gè)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(gè)單元不能平衡抬起部分的運(yùn)動(dòng)力矩，后部分表示當(dāng)再加一個(gè) 單 元的時(shí)候可以平衡抬起部分的運(yùn)動(dòng)力矩。 (a) 參數(shù)為 α =?π/3,ω =1,β = π/6,λ = 的相對(duì)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(duì)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(jī)器人抬頭運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)分析 當(dāng)蛇形機(jī)器人以較大速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，其慣性不可以忽略，必須對(duì)蛇形機(jī)器人抬頭運(yùn)動(dòng)作動(dòng)力學(xué)分析。這樣就使后臺(tái)操作者能夠很容易根據(jù)圖像信息判斷機(jī)器人方位，隨時(shí)調(diào)整 由于各種原因引起的機(jī)器人方位偏離。③收縮運(yùn)動(dòng)：是蛇在比較光滑平面或狹小空間下采用的一種運(yùn)動(dòng)方式。由于蛇形機(jī)器人的整體運(yùn)動(dòng)是由很多這樣的單元體組成的，而蛇形機(jī)器人的整體則是由很多點(diǎn)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(yùn)動(dòng)曲線的特殊性（如圖 ），這些接觸點(diǎn)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(gè)蛇形機(jī)器人就會(huì)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(shí)現(xiàn)過度配合并與軸肩一同實(shí)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(jì)具體涉及到很多內(nèi)容以及很