【正文】 多零件之間的配合關(guān)系，軸的具體尺寸請詳見本設(shè)計的零件圖。這就要求組成單元體的各零件在滿足強度要求的前提下材料選擇越輕越好 ，體積越小越好。該模塊具有結(jié)構(gòu)簡單，運動靈活，易于控制等特點。 傳動方案的確定 考慮到 蛇形機器人的實際應(yīng)用環(huán)境 等因素影響機器人單元體之間的相對轉(zhuǎn)速不能過快，結(jié)合國內(nèi)外以研發(fā)的蛇形機器人實例經(jīng)驗，將本設(shè)計的單元體之間的相對轉(zhuǎn)速確定為 10 度 /秒。因此 ， 在設(shè)計每個單元時 ， 必須考慮到這些因素所帶來的影響 ， 權(quán)衡耦合驅(qū)動機構(gòu)與直接驅(qū)動機構(gòu) ， 從而選擇更加合理的耦合驅(qū)動機構(gòu) 。 沈陽航空學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 14 方案確定 驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計 由于直接驅(qū)動的關(guān)節(jié)機構(gòu)采用每個自由度直接用一個電機來驅(qū)動 ， 用減少傳動件的數(shù)量 來達到減輕單元重量的目的 ， 但效果有限 。 沈陽航空學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 12 第 2 章 二自由度蛇形機器人 運動單元的主體設(shè)計 引言 蛇的外形非常簡單，但卻能實現(xiàn)很多運動：蜿蜒運動；法向運動；側(cè)向運動；沿身體方向的拉伸運動；抬起運動等。它可以穿越狹小空間、進入危險環(huán)境，然后完成操作任務(wù)。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。雖然目前蛇形機器人的研究尚處在實驗階段，但蛇形機器人有廣泛的應(yīng)用前景。 國內(nèi)研究情況 在我國，蛇形機器人的研究剛剛起步，但是進步較快。 ACMR3 是最近的研究成果（見圖 14），該機器人的參數(shù)見表 11。 沈陽航空學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 6 并且， SolidSnake II 搭建了完善的軟硬件開發(fā)平臺，為后續(xù)的研究開 發(fā)奠定了堅實的基礎(chǔ)。機器蛇的 8 個關(guān)節(jié)整體形成一個高冗余度的結(jié) 構(gòu)體，很容易模仿實現(xiàn)蛇體的復(fù)雜運動形式。本文的研究是在前人研究成果基礎(chǔ)上對蛇形機器人的機構(gòu)和運動控制作進一步研究。其實蛇是非常有益于人類的動物，它可以消火老鼠等害蟲，而且對于整個生態(tài) 平衡起著至關(guān)重要的作用。仿生學(xué)是 20 世紀 60 年代出現(xiàn)的一門綜合性邊緣學(xué)科，它由生命科學(xué)和工程技術(shù)科學(xué)相互滲透、相互結(jié)合而成。 關(guān)鍵詞： 蛇形機器人； 機構(gòu)設(shè)計； 耦合驅(qū)動； 運動分析；沈陽航空學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 2 Abstract This paper deals with the two degrees of freedom module of snakelike robot. Utilizing the snake (its forms and motion) as a model to develop 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。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器人單元設(shè)計。 mechanism design?？梢哉f仿生學(xué)的研究對科學(xué)技術(shù)和社會的發(fā)展起著舉足輕重的作用。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(xué)的角度出發(fā)研制有利于人類社會的機器人。 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 。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。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。 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。哈爾濱工業(yè)大學(xué)機器人研究所，上海交通大學(xué)等單位首先進行了蛇形機器人仿生方面的一些研究工作。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(xué)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。 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。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)。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。 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 。 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 。 電機的選擇 沈陽航空學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 16 電機將選擇 FutabaSS3305。 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。 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(xué)院學(xué)士學(xué)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)。本說明書將主要對大軸進行強度 校核 。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。 （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) 。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。通常，蛇形機器人的起始狀態(tài)構(gòu)形是一條直線。上面提出的運動學(xué)將蛇形機器人的抬頭運動分為靜止階段和運動階段。 ? 由動力學(xué)方程式 ()求得。尤其是對機械制圖細節(jié)方面的認識和了解， 更深刻地體會到機械是一門很嚴謹?shù)膶W(xué)科，不容半點模糊，每一處都得考慮周到，不忽略任何細節(jié)。運動步伐和控制方 法：目前蛇形機器人的運動步伐和控制方法還有很大的局限性，需要開發(fā)新的控制方法。 實驗研究：蛇形機器人的最終用途是走向?qū)嶋H，參與各種危險作業(yè)。 心中萬分不舍！雖然曾經(jīng)也埋怨過航院，但是細細想來，比起四年前的航院，現(xiàn)在的航院的進步航院的領(lǐng)導(dǎo)一直以來地努力卻是有目共睹的！雖然現(xiàn)在的航院也還有不足的地方，但 卻可以感覺到所有的航院人都在努力著，朝著航院更美好的明天著！ 在即將離校的此刻心中充滿對母校的感謝，對我們機械與汽車學(xué)院的感謝！故請允許我借此機會祝愿沈陽航空工業(yè)學(xué)院的明天更美好！祝愿機械與汽車學(xué)院的明天更輝煌！ 沈陽航空學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 36 展望 在本文的研究僅僅是該蛇形機器人研究的一個開端，還有很多工作需要完成：環(huán)境適應(yīng)性：這是蛇形機器人的主要特點之 一，可是到目前為止，還沒有出現(xiàn)一個蛇形機器人真正能適應(yīng)環(huán)境、實現(xiàn)運動。 第 h +1 單元重心所受的支反力為： 2( ( 1 ) ) / (2 ( ) 1 )kN h k m g l h k l?? ? ? ? ? ? （ ） 根據(jù)靜止部分每個單元的受力情況，可以求得靜止部分各個關(guān)節(jié)的力矩為： ? ? ? ? 2 1 , ...,( 2 1 ) 1 ,0,ii k hN h i l h i m glh i n?? ??? ? ? ? ??? ????? 沈陽航空學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 33 （ ） 由此，可以得到求解蛇形機器人抬頭運動動力學(xué)的總表達式為： 2()( 2( ) 1 ) ( 1 ) 1 , ... ,0ri ri riiL ag ra