【正文】 above analyses. Keywords: snakelike robot。其實(shí)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(gè)生態(tài) 平衡起著至關(guān)重要的作用。機(jī)器蛇的 8 個(gè)關(guān)節(jié)整體形成一個(gè)高冗余度的結(jié) 構(gòu)體，很容易模仿實(shí)現(xiàn)蛇體的復(fù)雜運(yùn)動形式。 ACMR3 是最近的研究成果（見圖 14），該機(jī)器人的參數(shù)見表 11。雖然目前蛇形機(jī)器人的研究尚處在實(shí)驗(yàn)階段，但蛇形機(jī)器人有廣泛的應(yīng)用前景。它可以穿越狹小空間、進(jìn)入危險(xiǎn)環(huán)境，然后完成操作任務(wù)。 沈陽航空學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 14 方案確定 驅(qū)動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 由于直接驅(qū)動的關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)采用每個(gè)自由度直接用一個(gè)電機(jī)來驅(qū)動 ， 用減少傳動件的數(shù)量 來達(dá)到減輕單元重量的目的 ， 但效果有限 。 傳動方案的確定 考慮到 蛇形機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境 等因素影響機(jī)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(jī)器人實(shí)例經(jīng)驗(yàn)，將本設(shè)計(jì)的單元體之間的相對轉(zhuǎn)速確定為 10 度 /秒。這就要求組成單元體的各零件在滿足強(qiáng)度要求的前提下材料選擇越輕越好 ，體積越小越好。 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。③收縮運(yùn)動：是蛇在比較光滑平面或狹小空間下采用的一種運(yùn)動方式。 (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(jī)器人抬頭運(yùn)動的動力學(xué)分析 當(dāng)蛇形機(jī)器人以較大速度運(yùn)動時(shí)，其慣性不可以忽略，必須對蛇形機(jī)器人抬頭運(yùn)動作動力學(xué)分析。 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)了對大學(xué)四年所學(xué)的機(jī)械方面知識 的綜合運(yùn)用能力。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。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。所以，有必要對這一運(yùn)動規(guī)劃加以改進(jìn)。 圖 其中差動輪系由三個(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(dāng)兩個(gè)電機(jī)同向同速轉(zhuǎn)動時(shí) ， 共同驅(qū)動單元做擺動運(yùn)動 ； 當(dāng)同速反向轉(zhuǎn)動時(shí) ， 共同驅(qū)動單元做俯仰運(yùn)動 ； 當(dāng)兩個(gè)電機(jī)以不同速度轉(zhuǎn)動時(shí) ， 實(shí)現(xiàn)的是既有擺動又有俯仰的復(fù)合運(yùn)動 。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，甚至燒壞電機(jī)。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。由于兩電機(jī)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。通過驅(qū)動細(xì)長的身體躬起做出符合運(yùn)動學(xué)的 d穩(wěn)定的姿勢。探月工程的啟動表明中國政府探索外星系的決心和信心。 （ 圖 國防科技大學(xué)的蛇形機(jī)器人 ） 中科院沈陽自動化所機(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)動形式，并作了深入的理論研究。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)動關(guān)節(jié)左右擺動 [14]。 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。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，尤其對當(dāng)今日益發(fā)展的機(jī)器人學(xué)科起到了巨大的推動作用，促進(jìn)了仿生機(jī)器人領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展。 蛇形機(jī)器人單元之間的擺動和抬起運(yùn)動本文采用耦合驅(qū)動的方式來實(shí)現(xiàn)。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)。蛇形機(jī)器人就是在這種條件下孕育而生的。 在電路設(shè)計(jì)上采用 485 總線聯(lián)接。該機(jī)器人采用繩索驅(qū)動，具有較好的柔性。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)。例如 :狹小空間的操作，復(fù)雜環(huán)境下的避碰操作等等 。 為便于單元的拆裝和減少設(shè)計(jì)及制造成本 。改造方法：將電機(jī)打開，取出電機(jī)中的機(jī)械限位即可。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 。衡量利弊，采用如圖 設(shè)計(jì)。 蜿蜒運(yùn)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(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 —— 蛇形曲線長度 (m) 公式 (31)對 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)動過程中，蛇頭是始終指 向運(yùn)動波形前進(jìn)方向 (如圖 所示 )。 （ 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。尤其是由機(jī)械結(jié)構(gòu)組成的蛇形機(jī)器人具有高的剛度，必須用恰當(dāng)?shù)目刂品椒▉碚{(diào)整剛度，阻抗控制是一種有效的控制方法 。軟件系統(tǒng)：大量的通訊和控制信息要求高的軟件系統(tǒng)具有高度的可靠性。蛇形機(jī)器人應(yīng)用靠近此支點(diǎn)的單元重力來 平衡由于抬起運(yùn)動而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩，而靜止部分遠(yuǎn)離支點(diǎn)的單元自由地放置在地面上，此部分單元之間無相互作用，所受力矩為零。也就是說，蛇形機(jī)器人頭上的攝像頭獲得的總是前進(jìn)方向的信息，從而大大降低了由于周期運(yùn)動引起的圖像晃動現(xiàn)象。 但是，由于單元體只是蛇形機(jī)器人整體的一部分。其中很多主要的裝配關(guān)系都要靠大軸來調(diào)整實(shí)現(xiàn)，例如：三個(gè)傘齒輪的組裝距離的實(shí)現(xiàn)； 大軸上的正齒輪與傘齒輪的距離等。模塊（見圖 21）是蛇形機(jī)器人的最小結(jié)構(gòu)單元，每一模塊由兩FutabaSS3305 電機(jī)驅(qū)動驅(qū)動一個(gè)回轉(zhuǎn)自由度。 此外 ， 模塊化設(shè) 計(jì)可以實(shí)現(xiàn)蛇形機(jī)器人的可重構(gòu) ， 通過不同的連接可以組合成不同形狀的機(jī)器人 蛇形機(jī)器人耦合驅(qū)動單元設(shè)計(jì)原則 耦合機(jī)構(gòu)雖然能夠給蛇形機(jī)器人單元帶來較大驅(qū)動力 ， 但同時(shí)也增加了每個(gè)單元的重量 、 長度 、 降低了每個(gè)單元傳動機(jī)構(gòu)的傳動效率 ， 具有一定的負(fù)面影響 。但我國在蛇形機(jī)器人的研究還在發(fā)展階段，還需要進(jìn)一步地發(fā)展。特別是蛇形機(jī)器人身體的各個(gè)部分都與地面接觸，對地面的壓力均勻而且非常小，適合在災(zāi)難后的危險(xiǎn)建筑中運(yùn)動和搜救。 （ 圖 德國 GMD 的兩代蛇形機(jī)器人 ） 沈陽航空學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 9 此外，還有很多蛇形機(jī)器人先后被開發(fā) ，這里就不一一介紹了。此設(shè)計(jì)能方便地實(shí)現(xiàn)替換任意關(guān)節(jié)，能根據(jù)不同任務(wù)隨時(shí)拆卸安裝 新的關(guān)節(jié)，甚至實(shí)現(xiàn)帶電插拔，極大的增強(qiáng)了蛇形機(jī)器人的可靠性 和耐用性。蛇形機(jī)器人不但能夠適應(yīng)各種復(fù)雜地形，能夠平均分配自己的體重，還具有自封閉的結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)使其吸引了國內(nèi)外眾多機(jī)器人學(xué)研究人員展開了對蛇形機(jī)器人的研究。模仿和探索大自然中生物的運(yùn)動和功能，理解和獲取有利的運(yùn)動和控制原理，促使了仿生學(xué)的出現(xiàn)和發(fā)展。 其主要目標(biāo)是 利用蛇（它的形態(tài)和姿勢）做原形來 研究 具有 與 蛇的功能 相似 的蛇形機(jī)器人。仿生系統(tǒng)以其能體現(xiàn)和再現(xiàn)生命特征成為現(xiàn)代研究的重點(diǎn)課題。關(guān)于蛇形機(jī)器人的研究，美國和日本走在前列，此外加拿大、英國、瑞典、澳大利亞等國也都在開展這方面的技術(shù) 研究。 國外研究狀況 上個(gè)世紀(jì)七十年代，日本東京工業(yè)大學(xué)的 Hirose 教授就已經(jīng)開始了蛇形機(jī)器人的研究。上海交通大學(xué)崔 顯世、顏國正于 1999 年 3 月研制了我國第一臺微小型仿蛇機(jī)器人樣機(jī)，該機(jī)構(gòu)由一系列剛性連桿連接而成，步進(jìn)電機(jī)控制相鄰兩剛性連桿之間的夾角，使連桿可以在水平面內(nèi)擺動，樣機(jī)底面裝有滾動軸承作為被動輪，用以改變縱向和橫向摩擦系數(shù)之比，其后又相繼作了一些相關(guān)的理論研究。如果將蛇形機(jī)器人做得非常小，就可以進(jìn)入人體的腸道完成作業(yè)。 本設(shè)計(jì)要求根據(jù)蛇的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)以下的功能： （ 1） 能在凹凸不 平 /粗糙的地面推動前進(jìn)、在光滑的表面滑行前進(jìn)。 機(jī)構(gòu)方案的確定 分析二自由度蛇形機(jī)器人 的目標(biāo)功能 —— 關(guān)節(jié)間的橫向擺動和縱向抬起后，綜合多方面的考慮后最終確定以下方案：（如圖 ） 沈陽航空學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 15 （圖 機(jī)構(gòu)方案簡圖 1’ —— 電機(jī)軸 2’ —— 齒輪 3’ —— 齒輪 4’ —— 齒輪 5’ —— 傘齒輪 6—— 傘齒輪 7—— 傘齒輪軸 8—— 大軸） 機(jī)構(gòu)方案 簡述：本方案采用 2 個(gè)電機(jī)偶合驅(qū)動的方式來實(shí)現(xiàn)單元體的擺動 及抬起。 估算單元體的重量約為 400g，單元體的