一种仿生蛇形机器人的结构设计
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国外 蛇形 机器 人研 究技 术较 为成熟 。 日本 东京
［６］ 汪 新 智． 双 通 道 气 流 式 雾 化 喷 嘴 模 拟 计 算 与 优 化 ［Ｄ］．哈 尔滨 ：哈 尔滨 工 业 大 学 ，２０１３．
［７］ 金 士 良，李毅 ，蒋瑞靓 ．ＳＵ１６型喷嘴雾化性能仿真分 析 ［Ｊ］．工 业 计 量 ，２０１０，２０（６）：３—６．
观 弋 。 ｌ Ｍｏｄｅ ｒｎ删 Ｍａｃ ｈ ｒ
一 种 仿 生 蛇 形 机 器 人 的 结 构 设 计
聂 宇 ，张 琢 ，林 芸 （贵 阳学院 机 械 工程 学 院 ，贵 州 贵 阳 ５５０００５）
摘 要 ：蛇形机 器人 能够在 复杂的环境 中运动。通 过对蛇的身体结构、运动特 点进行 分析 ，对其骨 架进行仿真抽 象 ，
０ 引 言
蛇是 世界 上无 四肢 动 物 中最 庞 大 的一 类 ，分 布 在世 界 上除北 极 、南 极 外 的各 个 地方 。蛇 的身 体 具 有低 重 心 、高 冗余 度 、高鲁棒 性 、多 自由度 、良好 的稳 定性 等 特点 ，具 有 复杂 多 变 的运 动方 式 。仿 生蛇 形
［８］ 张师帅．计 算流体 动力 学及其 应 用［Ｍ］．武 汉：华 中 科 技 大 学 出版 社 ，２０１１．
［９］ 朱斌 ．油醇 混 合 燃 料 喷 雾特 性 研 究 及 喷 嘴 优 化 ［Ｄ］． 上 海 ：上 海 交通 大 学 ．２０１１．
［１０］ Ｈｏｓｓａｉｎ Ａ Ｋ ，Ｄａｖｉｅｓ Ｐ Ａ． Ｐｌａｎｔ ｏｉｌｓ ａｓ ｆｕｅｌｓ ｆｏｒ ｃｏｎ—
国 石 化 出 版 社 ．２０１０．
作 者 简 介 ：李铮 （１９８６一），女 ，湖 南·ｇ－４￣市人 ，工 程 师 ，硕 士 学 位 ，主要 研 究 方 向化 工设 备 与 机 械 。 刘 海 军 （１９８７一），男 ，内 蒙 古 呼 和 浩特 市人 ，工 程 师 ，硕 士 学 位 ，主 要 研 究 方 向 化 工 设备 与机 械 。 张 雷 （１９９２一），男 ，安 徽 亳 州 市人 ，在 读 硕 士 ，主要 研 究 方 向机 械 结 构 可 靠 性 。
关 键 词 ：蛇 形 机 器 人 结 构 设 计 骨 架抽来自象 行 星齿 轮 差 动 结构
中 图分 类 号 ：ＴＨ１２６
文献 标 识 码 ：Ａ
文 章 编 号 ：１００２—６８８６（２０１６）０６—００４０—０５
Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ａ ｂｉｏｎｉｃ ｓｎａｋｅ ·－ｌｉｋｅ ｒｏｂｏｔ
收 稿 日期 ：２０１６—０４—１４
· ４０ ·
Ｄ设ｅｓｉ ｇｎ Ｒ、ｅ研ｓｅａ究ｒｃｈ＆、分 Ａｎａ析ｌｙｓ ｉｓ ｌ ２ｏ１６．￣第 期
ｐｒｅｓｓｘ’ｏｎ ｉ‘ｇｎｉ—ｔｉｏｎ ｅｎｇｉｎｅｓ：ａ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｒｅｖｉｅｗ ａｎｄ ｌｉｆｅ —
ｃｙｃｌｅ ａｎａｌｙｓｉｓ『Ｊ］． Ｂｕｌｌｅｔｉｎ Ｄｅ Ｌａ Ｓｏｃｉ６ｔ６ Ｂｏｔａｎｉｑｕｅ Ｄｅ
Ｆｒａｎｃｅ，２０１４，２４（１）：２６６—２７１ ［１１］ 侯 凌云 ，侯 晓春．喷嘴技 术手册 ：第 ２版 ［Ｍ］．北京 ：中
机 器人 是一 种 在运动 机理 上高 度模 仿蛇 的新 型机 器 人 ，其 主要 靠蛇 体 和地 面 之 间 的摩 擦 力 作 用 来 驱 动 蛇体 的运 动 ，而不需 要额 外 的驱动 轮 、动 力 源或牵 引 车来 带动 蛇体 运动 。仿 生蛇形 机 器人 可 以应 用 于战 争侦 查 、管 道疏 通 、伤员 搜救 、医疗 、航 天等 领域 。
ＮＩＥ Ｙ ｕ，ＺＨ ＡＮ Ｇ Ｚｈｕｏ，ＬＩＮ Ｙｕｎ
Ａ ｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｒｏｕｇｈ ａｎａｌｙｓｉｓ ｂｏｄｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｍｏｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｓｎａｋｅ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｂｓｔｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｉｔｓ ｓｋｅｌｅｔｏｎｓ，ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｂｉｏｎｉｃ ｓｎａｋｅ —ｌｉｋｅ ｒｏｂｏｔ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｗｈｉｃｈ ａｄｏｐｔｓ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｐｌａｎｅｔａｒｙ ｇｅａｒ ａｎｄ ｈａｓ ｔｈｒｅｅ ｄｅｇｒｅｅｓ ｏｆ ｆｒｅｅｄｏｍ ． Ｔｈｉｓ ｓｎａｋｅ— ｌｉｋｅ ｒｏｂｏｔ ｃａｎ ａｃｈｉｅｖｅ ｔｈｅ ｐｉｔｃｈ，ｙａｗ ，ｒｏｔａｔｉｏｎ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｍｏｔｉｏｎ，ｔｈｒｏｕｇｈ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｇｅａｒ ｄｒｉｖｉｎｇ ｐｌａｎｅ— ｔａｒｙ ｇｅａｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｒａｔｅ． Ｔｈｉｓ ｓｎａｋｅ— ｌｉｋｅ ｒｏｂｏｔ ｉｓ ｅｑｕｉｐｐｅｄ ｗｉｔｈ ｓｅｎｓｏｒｓ ｔｏ ｐｅｒｃｅｉｖｅ ｔｈｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍ ｅｎｔ， ｗｈｉｃｈ ｍａｋｅｓ ｉｔ ｈａｖｅ ｓｔｒｏｎｇ ｄｒｉｖｅ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｔｒａｎｓｍ ｉｓｓｉｏｎ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ． Ｔｈｅ ｃｒｉｔｉｃａｌ ａｎｇｌｅ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｐａｒａｍ ｅ— ｔｅｒｓ ａｒｅ ｇｅｔ ｂｙ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｉｎｇ ｖｉｒｔｕａｌ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｉｎ ＵＧ ． Ｋ ｅｙｗ ｏｒｄｓ：ｓｎａｋｅ —ｌｉｋｅ ｒｏｂｏｔ，ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ，ｓｋｅｌｅｔｏｎ ａｂｓｔｒａｃｔｉｏｎ，ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｓｔｒ ｕ ｃｔｕｒｅ ｏｆ ｐｌａｎｅｔａｒｙ ｇｅａｒ
设 计 了一 种 采 用行 星齿 轮 差 动 结 构 且 具 有 三 自由度 的仿 生蛇 形机 器人 。 此 种 结 构 蛇 形机 器人 利 用 舵 机 以不 同速 率
转动驱动行星齿轮差动耦合 可实现俯仰 、偏航 、回转等运 动，配备 以传感 器感知外界环 境 ，具备 驱动 能力强 、传动精
度 高等优点 。通过 ＵＧ建立 了相应 的虚拟样机 并分析 得 出了临界转 角等技术参数 。
［６］ 汪 新 智． 双 通 道 气 流 式 雾 化 喷 嘴 模 拟 计 算 与 优 化 ［Ｄ］．哈 尔滨 ：哈 尔滨 工 业 大 学 ，２０１３．
［７］ 金 士 良，李毅 ，蒋瑞靓 ．ＳＵ１６型喷嘴雾化性能仿真分 析 ［Ｊ］．工 业 计 量 ，２０１０，２０（６）：３—６．
观 弋 。 ｌ Ｍｏｄｅ ｒｎ删 Ｍａｃ ｈ ｒ
一 种 仿 生 蛇 形 机 器 人 的 结 构 设 计
聂 宇 ，张 琢 ，林 芸 （贵 阳学院 机 械 工程 学 院 ，贵 州 贵 阳 ５５０００５）
摘 要 ：蛇形机 器人 能够在 复杂的环境 中运动。通 过对蛇的身体结构、运动特 点进行 分析 ，对其骨 架进行仿真抽 象 ，
０ 引 言
蛇是 世界 上无 四肢 动 物 中最 庞 大 的一 类 ，分 布 在世 界 上除北 极 、南 极 外 的各 个 地方 。蛇 的身 体 具 有低 重 心 、高 冗余 度 、高鲁棒 性 、多 自由度 、良好 的稳 定性 等 特点 ，具 有 复杂 多 变 的运 动方 式 。仿 生蛇 形
［８］ 张师帅．计 算流体 动力 学及其 应 用［Ｍ］．武 汉：华 中 科 技 大 学 出版 社 ，２０１１．
［９］ 朱斌 ．油醇 混 合 燃 料 喷 雾特 性 研 究 及 喷 嘴 优 化 ［Ｄ］． 上 海 ：上 海 交通 大 学 ．２０１１．
［１０］ Ｈｏｓｓａｉｎ Ａ Ｋ ，Ｄａｖｉｅｓ Ｐ Ａ． Ｐｌａｎｔ ｏｉｌｓ ａｓ ｆｕｅｌｓ ｆｏｒ ｃｏｎ—
国 石 化 出 版 社 ．２０１０．
作 者 简 介 ：李铮 （１９８６一），女 ，湖 南·ｇ－４￣市人 ，工 程 师 ，硕 士 学 位 ，主要 研 究 方 向化 工设 备 与 机 械 。 刘 海 军 （１９８７一），男 ，内 蒙 古 呼 和 浩特 市人 ，工 程 师 ，硕 士 学 位 ，主 要 研 究 方 向 化 工 设备 与机 械 。 张 雷 （１９９２一），男 ，安 徽 亳 州 市人 ，在 读 硕 士 ，主要 研 究 方 向机 械 结 构 可 靠 性 。
关 键 词 ：蛇 形 机 器 人 结 构 设 计 骨 架抽来自象 行 星齿 轮 差 动 结构
中 图分 类 号 ：ＴＨ１２６
文献 标 识 码 ：Ａ
文 章 编 号 ：１００２—６８８６（２０１６）０６—００４０—０５
Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ａ ｂｉｏｎｉｃ ｓｎａｋｅ ·－ｌｉｋｅ ｒｏｂｏｔ
收 稿 日期 ：２０１６—０４—１４
· ４０ ·
Ｄ设ｅｓｉ ｇｎ Ｒ、ｅ研ｓｅａ究ｒｃｈ＆、分 Ａｎａ析ｌｙｓ ｉｓ ｌ ２ｏ１６．￣第 期
ｐｒｅｓｓｘ’ｏｎ ｉ‘ｇｎｉ—ｔｉｏｎ ｅｎｇｉｎｅｓ：ａ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｒｅｖｉｅｗ ａｎｄ ｌｉｆｅ —
ｃｙｃｌｅ ａｎａｌｙｓｉｓ『Ｊ］． Ｂｕｌｌｅｔｉｎ Ｄｅ Ｌａ Ｓｏｃｉ６ｔ６ Ｂｏｔａｎｉｑｕｅ Ｄｅ
Ｆｒａｎｃｅ，２０１４，２４（１）：２６６—２７１ ［１１］ 侯 凌云 ，侯 晓春．喷嘴技 术手册 ：第 ２版 ［Ｍ］．北京 ：中
机 器人 是一 种 在运动 机理 上高 度模 仿蛇 的新 型机 器 人 ，其 主要 靠蛇 体 和地 面 之 间 的摩 擦 力 作 用 来 驱 动 蛇体 的运 动 ，而不需 要额 外 的驱动 轮 、动 力 源或牵 引 车来 带动 蛇体 运动 。仿 生蛇形 机 器人 可 以应 用 于战 争侦 查 、管 道疏 通 、伤员 搜救 、医疗 、航 天等 领域 。
ＮＩＥ Ｙ ｕ，ＺＨ ＡＮ Ｇ Ｚｈｕｏ，ＬＩＮ Ｙｕｎ
Ａ ｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｒｏｕｇｈ ａｎａｌｙｓｉｓ ｂｏｄｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｍｏｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｓｎａｋｅ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｂｓｔｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｉｔｓ ｓｋｅｌｅｔｏｎｓ，ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｂｉｏｎｉｃ ｓｎａｋｅ —ｌｉｋｅ ｒｏｂｏｔ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｗｈｉｃｈ ａｄｏｐｔｓ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｐｌａｎｅｔａｒｙ ｇｅａｒ ａｎｄ ｈａｓ ｔｈｒｅｅ ｄｅｇｒｅｅｓ ｏｆ ｆｒｅｅｄｏｍ ． Ｔｈｉｓ ｓｎａｋｅ— ｌｉｋｅ ｒｏｂｏｔ ｃａｎ ａｃｈｉｅｖｅ ｔｈｅ ｐｉｔｃｈ，ｙａｗ ，ｒｏｔａｔｉｏｎ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｍｏｔｉｏｎ，ｔｈｒｏｕｇｈ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｇｅａｒ ｄｒｉｖｉｎｇ ｐｌａｎｅ— ｔａｒｙ ｇｅａｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｒａｔｅ． Ｔｈｉｓ ｓｎａｋｅ— ｌｉｋｅ ｒｏｂｏｔ ｉｓ ｅｑｕｉｐｐｅｄ ｗｉｔｈ ｓｅｎｓｏｒｓ ｔｏ ｐｅｒｃｅｉｖｅ ｔｈｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍ ｅｎｔ， ｗｈｉｃｈ ｍａｋｅｓ ｉｔ ｈａｖｅ ｓｔｒｏｎｇ ｄｒｉｖｅ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｔｒａｎｓｍ ｉｓｓｉｏｎ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ． Ｔｈｅ ｃｒｉｔｉｃａｌ ａｎｇｌｅ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｐａｒａｍ ｅ— ｔｅｒｓ ａｒｅ ｇｅｔ ｂｙ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｉｎｇ ｖｉｒｔｕａｌ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｉｎ ＵＧ ． Ｋ ｅｙｗ ｏｒｄｓ：ｓｎａｋｅ —ｌｉｋｅ ｒｏｂｏｔ，ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ，ｓｋｅｌｅｔｏｎ ａｂｓｔｒａｃｔｉｏｎ，ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｓｔｒ ｕ ｃｔｕｒｅ ｏｆ ｐｌａｎｅｔａｒｙ ｇｅａｒ
设 计 了一 种 采 用行 星齿 轮 差 动 结 构 且 具 有 三 自由度 的仿 生蛇 形机 器人 。 此 种 结 构 蛇 形机 器人 利 用 舵 机 以不 同速 率
转动驱动行星齿轮差动耦合 可实现俯仰 、偏航 、回转等运 动，配备 以传感 器感知外界环 境 ，具备 驱动 能力强 、传动精
度 高等优点 。通过 ＵＧ建立 了相应 的虚拟样机 并分析 得 出了临界转 角等技术参数 。