蛇形机器人的研究与发展
蛇形机器人论文
上海电力学院本科毕业设计（论文）题目：仿生机器蛇的设计与仿真院系：电力与自动化工程学院专业年级：测控技术与仪器学生姓名：学号：指导教师：【摘要】在仿生机械学中，模仿生物蛇而衍生的机器蛇将逐渐具备灵活的变形特征。
具有多于确定机器人空间位置和姿态所需的自由度，使得它可摹仿生物蛇的运动状态，在许多的领域具有广泛的应用前景。
本文提出了一种类似正弦波形的7关节三动杆蛇形机器人结构，并对该机器人的步态进行了分析，对其前进的方式进行了数学建模设计，最后使用软件ADAMS2007进行运动的计算机建模和模拟仿真，通过仿真，验证了模型的步态过程与端点的轨迹曲线。
为该蛇形机器人在具体设计制造前提供了理论和仿真。
关键词：蛇形机器人；运动模拟；ADAMS建模仿真【Abstract】In simulation mechanics, snake-machine which derives from simulating biological snakes becomes more and more flexible. Snake-machine is a highly redundant robot which has more freedoms which is needed in space location and gestures than definite robot, thus it can simulate the movement of snake and has a better prospect: for example it can execute investigation missions、mine sweeping and searching. The variation of movement makes it has a better ability of adaption, every joint derived separately, it has a strong load capacity and easy maintenance. This article provides a structure of sinusoidal seven joints snake-machine, and gives a conclusion by using the software ADAMS2007 to execute the modeling of motion and simulation. This snake-machine gives theory and simulation before specific design and manufacturing.Key Words:Snake-like robot；Motion simulation；ADAMS Modeling and Simulation目录1 绪论.......................................................... - 1 -1.1课题研究的背景及意义 (1)1.2仿生机器蛇的研究现状及发展 (1)1.2.1 国外研究现状......................................... - 1 -1.2.2 国内研究现状......................................... - 5 -1.3蛇的运动方式. (6)1.4本文的研究内容 (7)2 仿生机器蛇的运动分析及步态研究................................ - 9 -2.1引言 (9)2.2仿生机器蛇运动模型 (9)2.2.1 仿生机器蛇的侧向运动模型.............................. - 9 -2.2.2 仿生机器蛇的蠕动运动模型............................. - 10 -2.3仿生机器蛇的步态研究. (11)2.3.1 仿生机器蛇的模型结构设计............................. - 11 -2.3.2 仿生机器蛇的步态研究................................. - 11 -2.3.2 仿生机器蛇的步态与位移分析........................... - 12 -2.3.3 仿生机器蛇各连杆间的相对角位移....................... - 14 -2.3.4 仿生机器蛇设计....................................... - 14 -2.4本章小结. (16)3 仿生机器蛇的ADAMS仿真....................................... - 17 -3.1ADAMS软件介绍 (17)3.2仿生机器蛇的ADAMS仿真流程 (18)3.3仿生机器蛇的ADAMS仿真模型参数 (19)3.4仿生机器蛇的ADAMS仿真结果分析与验证 (21)3.5本章小结 (27)4 总结......................................................... - 28 -4.1结论 (28)4.2展望 (28)致谢........................................................... - 29 -参考文献....................................................... - 30 -附录........................................................... - 31 -附录1：ADAMS中的STEP和IF函数及方形波函数 (31)附录2：ADAMS中的约束关系 (33)附录3：万向节 (34)1 绪论1.1 课题研究的背景及意义蛇的生存环境是非常多样化的：森林、沙漠、山地、石堆、草丛、沼泽甚至湖泊。
轻型蛇形机器人系统设计及分段运动规划策略
2023-11-07CATALOGUE目录•引言•轻型蛇形机器人系统设计•分段运动规划策略•实验与分析•结论与展望•参考文献01引言背景随着科技的发展，机器人技术在军事、救援、工业等领域的应用越来越广泛，而蛇形机器人作为机器人技术的前沿领域，具有很大的研究价值和发展潜力。
意义轻型蛇形机器人作为一种灵活、适应性强、可实现复杂运动的机器人，在复杂环境下的应用具有不可替代的作用，对于推动机器人技术的发展具有重要的意义。
研究背景与意义现状目前，国内外对于蛇形机器人的研究已经取得了一定的成果，一些蛇形机器人已经实现了自主运动和复杂环境的适应，但还存在一些问题，如机器人的运动速度和稳定性不足，运动规划和控制方法不够完善等。
发展未来的蛇形机器人将向着更轻便、更灵活、更智能的方向发展，同时，随着人工智能和机器学习技术的发展，蛇形机器人的智能化程度也将得到进一步提高。
研究现状与发展•目的：本课题旨在设计一种轻型蛇形机器人系统，实现机器人在复杂环境下的灵活运动和适应，同时研究分段运动规划策略，提高机器人的运动速度和稳定性，为进一步推动蛇形机器人的应用和发展提供技术支持。
研究目的与任务研究目的与任务任务1. 设计轻型蛇形机器人系统，包括机械结构、控制系统、感知系统等部分；2. 研究分段运动规划策略，根据环境变化和任务需求，实现机器人的自适应运动规划；研究目的与任务3. 实现机器人的自主运动和环境适应，包括地形跟随、障碍物避让等功能；4. 通过实验验证机器人的性能和分段运动规划策略的有效性。
02轻型蛇形机器人系统设计机器人系统概述机器人系统组成轻型蛇形机器人系统由机械结构、控制系统、传感器系统和分段运动规划策略等组成。
机器人工作原理通过控制系统驱动机械结构实现弯曲和伸展，传感器系统实时监测机器人姿态和位置，分段运动规划策略控制机器人实现复杂环境下的运动。
采用高弹性、轻质、耐腐蚀的柔性材料制作蛇形机器人的身体，实现灵活的弯曲和伸展。
一类蛇形机器人系统的运动学分析.
一类蛇形机器人系统的运动学分析¹黄恒 º颜国正 »丁国清高志军(上海交通大学信息检测技术及仪器系上海 200030摘要针对复杂、人力所不能及的作业环境 , 提出一种仿蛇类生物的蛇形机器人。
这种多关节机器人采取了自然界中蛇的形体及运动特点 , 通过各部分协调运动从而实现机器人的整体运动。
分析了机器人运动学模型 , 建立其运动学方程 , 并对机器人控制过程中的奇异状态问题进行了讨论。
关键词蛇形机器人 , 仿生学0 引言针对障碍物众多、凹凸不平等非结构环境 , 研究人员提出了仿蚯蚓、蛇类生物的多关节、多自由度仿生机器人。
同时伴随着仿生技术、计算机技术和控制技术的发展 , 为仿蛇类生物的多关节、多自由度机器人研究 , 特别在其体态运动控制的原理、系统构成、控制算法等方面的研究提供了强有力的支持 , 并取得了一些成果 [1-3]。
蛇类动物能够在极不规则的环境下运动 , 可以爬坡、跨越沟道、攀援等等 , 也能够在松软的沼泽或沙漠中运动 , 还能够通过蜿蜒曲折的狭窄的通道。
因此仿蛇机器人的研究得到了国际机器人领域的高度重视。
据报道 , 日本东京工业大学 Shigeo H-i rose [4]比较早的在这方面开展了一些研究工作 , 并研制了一系列的关节式机器人。
本文所研究的蛇形机器人对适应特殊环境机器人的实现有很大意义。
1 蛇形机器人的平面运动学方程研制的蛇形机器人如图 1所示。
当机器人在平面上移动时 , 它的简化系统模型描述如图 2所示 (图中只画出前3节 ,讨论中则针对图 1 蛇形机器人的实物图片高技术通讯 2002. 05¹º»联系人。
(收稿日期 :2001-03-16; 修订日期 :2001-06-20 男 , 1974年生 , 硕士 ; 研究方向 :机器人。
上海市曙光计划 (98SG18 资助项目。
具有 n 节的一般系统。
值得说明的是 , 本文所设计的蛇形机器人的轮足不是驱动轮 , 只具有滚动的功能 , 用以减小与接触面的摩擦力。
机械蛇论文——精选推荐
机械蛇的世界关键词：机械蛇研究现状成果这个学期我选了机械创新设计的课程，这门课主要研究的是机械蛇，以前从来没有看到过机械蛇，第一次见到他们真的很惊讶很好奇，就那么几个部件连接起来就可以执行很多动作，完全被他的奥妙所吸引。
我们接下来与机械蛇的接触让我学到很多东西。
也让我初步认识了机械人领域的一些东西。
首先我们先了解机械蛇，即蛇形机器人的研究现状，机器人的移动方式主要有轮、腿、履带和无肢运动等。
蛇形机器人的运动方式是典型的无肢运动。
它主要是由舵机和单片机组成，我们可以拆开看它的内部结构和舵机的运行情况，和单片机的结构电路图，这些都让我们对机械蛇有了初步的了解，认识到了这个神奇的小家伙。
其次我们还知道了机械蛇的控制系统，无限发射器和接收器，每个无限发射和接受设备都是彼此相对应，这样就像对讲机一样每个都是对应自己的频率，这样才不会有彼此干扰的现象。
再者我们还学习到了，机械蛇的控制软件，他的编程、调试、下载、运行等，它与电脑软件的连接控制等很多知识。
编程可以说是对我们最难的一步，我们从没有运用过C语言等编程语言来真正的编制一个运行程序，这个里面有很多的知识我们已经忘记了，但是这次的实验让我们温习了一下编程语言的知识，也让我们学会了怎么应用已经学到的知识，但是总体来说我们做的还是很不够，以后要多多应用这些知识到实际。
最后让我最有感触的最多的就是机械蛇的应用。
机器蛇主要在恶劣的环境中执行人或其它机械无法或不能够顺利完成的工作。
在错综复杂的废墟中搜索和营救，在崎岖的狭道中穿行，极易使其受损或受伤，其中驱动器失效最为普遍。
再者在室外工作时(比如野外探险，外星球勘察，废墟营救等)，机器蛇由较少的驱动器来驱动可以大大减少机器蛇的重量，降低能量消耗，在固定能耗下延长工作时间，还可以减小体积，提高其运动灵活性，扩大其相对活动空间。
机械蛇的前景很好，一定会有很多用途。
通过这门机械创新设计课程让我真正的认识了机械蛇，也让我了解了这个领域的现状，国外在蛇形机器人方面进行了大量的研究工作。
关于蛇形机器人结构运动及控制的研究
关于蛇形机器人结构运动及控制的研究蛇形机器人是一种模仿蛇形动态运动特性的机器人。
由于蛇形机器人的结构与运动方式与传统的机器人有所不同，因此对于蛇形机器人的结构、运动以及控制的研究具有重要意义。
首先，蛇形机器人的结构设计是研究的关键。
蛇形机器人通常由多个连续关节组成，每个关节都可以相对于前一个关节弯曲并展开。
通过控制关节的弯曲和展开，蛇形机器人可以模拟蛇身的曲线形状。
为了实现这种结构，研究人员通常采用柔性材料制作机器人的关节，以实现关节的变形。
此外，关节之间的连杆也需要适应关节变形的能力，这需要考虑到关节与连杆之间的连接方式及材料选择。
然后，蛇形机器人的运动特性也是研究的重点之一、蛇形机器人的运动是通过关节的协调运动实现的。
研究人员通过研究蛇类的运动方式，探索了不同的运动模式。
其中，波浪式运动是常见的一种模式，即蛇形机器人从头部到尾部依次弯曲并展开，形成像蛇一样的波浪形状。
此外，还有一些其他的运动模式，如直线运动、旋转运动等。
研究人员通过研究这些运动模式，探索了不同的运动方法和策略，以实现蛇形机器人的高效运动。
最后，蛇形机器人的控制方法也是蛇形机器人研究的重要内容。
蛇形机器人的控制需要实时控制各个关节的弯曲角度以及关节之间的协作运动。
常用的控制方法包括开环控制和闭环控制。
开环控制是在事先确定好运动序列的情况下，通过一定的控制输入来驱动机器人完成运动。
闭环控制则是在运动过程中通过传感器检测实际运动状态，并与目标运动状态进行比较，通过调整控制输入来实现机器人的运动控制。
研究人员通过模拟和实验，比较不同的控制方法的优缺点，并提出了一些新的控制策略，以提高蛇形机器人的运动性能和控制精度。
综上所述，关于蛇形机器人的结构、运动及控制的研究是一项具有重要意义的研究工作。
通过对蛇形机器人的结构、运动及控制的研究，可以为机器人的设计和应用提供一定的理论基础和实践经验，推动机器人技术的发展和应用。
同时，蛇形机器人的研究还可以为生物学、医学等领域提供一定的借鉴和启示，促进不同学科之间的跨界合作。
蛇形机器人研究综述及在核电中的应用展望
蛇形机器人研究综述及在核电中的应用展望随着科技的飞速发展，机器人已经从最初的简单机械手臂逐渐演变成了具有高度智能化和灵活性的现代工具。
其中，蛇形机器人以其独特的运动方式和适应性引起了广泛关注。
它们像蜿蜒前行的灵蛇，穿梭于狭窄或复杂的环境之中，展现出惊人的机动性和灵活性。
在众多应用领域中，核电行业因其特殊性和对安全性的高要求而成为蛇形机器人展示其才华的舞台。
核电站内部结构复杂，管道密集，常规机器人往往难以进入某些特定区域进行检修或监测。
这时，蛇形机器人的优势便凸显出来：它们能够轻松地穿过狭窄的缝隙，绕过障碍物，到达人员难以直接操作的位置。
然而，蛇形机器人的研究并非一帆风顺。
它们的设计需要考虑到如何在保持灵活性的同时提高负载能力，如何在复杂的三维空间中精确控制运动轨迹，以及如何确保在极端环境下的稳定性和可靠性。
这些问题如同悬在研究者头顶的达摩克利斯之剑，时刻提醒着他们不断探索和完善。
目前，蛇形机器人在核电领域的应用主要集中在设备巡检、故障诊断和维护等方面。
它们装备有高清摄像头和各种传感器，能够捕捉到微小的异常信号，及时发现潜在的安全隐患。
此外，一些蛇形机器人还具备简单的操作功能，可以在不中断核电站运行的情况下完成一些紧急维修任务。
展望未来，随着人工智能技术的进一步发展和材料科学的突破，我们有理由相信蛇形机器人将在核电行业中扮演更加重要的角色。
它们或许能够实现完全自主的操作，甚至与其他机器人或人类工作人员协同作业；它们的感知能力将更加敏锐，能够在第一时间内识别并响应各种复杂情况；它们的结构将更加坚固耐用，能够在高温、高压、强辐射等恶劣条件下长期稳定工作。
当然，这一切的实现都需要我们持续投入研究和创新。
我们需要更深入地理解蛇形机器人的运动机理和控制策略，开发更加高效和智能的算法来指导它们的行动；我们需要探索新型材料和制造工艺来提升它们的性能和降低成本；我们还需要加强跨学科的合作与交流，将不同领域的最新成果融合到蛇形机器人的设计和应用中去。
仿生蛇形机器人设计与应用
声纳与红外感应
仿生蛇形机器人还具备声纳和红外感应功能，能够感知周 围生物和电子设备的存在，为侦察提供更多信息。
目标跟踪与打击
灵活跟踪
凭借其仿生的蛇形结构 ，机器人能够在复杂环 境中实现对移动目标的 跟踪，如车辆、人员等 。
狭小空间救援
仿生蛇形机器人的灵活性和适应性使其能够在狭小的空间中进行 救援，为受灾人员提供及时的援助。
灾害模拟演练
模拟灾害环境
仿生蛇形机器人可以模拟地震、洪水等灾害现场，为救援团队提供 模拟演练的环境。
评估救援能力
通过模拟演练，救援团队可以评估自身的搜救能力和响应速度，为 实际救援提供参考。
培训与教育
超声波传感器
用于测量机器人与周围环境之间的距离，实现机 器人的导航功能。
IMU传感器
用于检测机器人的姿态，帮助机器人保持稳定的 运动状态。
驱动器系统
电机驱动器
用于驱动电机转动，实现机器人的运动。
舵机驱动器
用于驱动舵机转动，控制机器人的姿态和运动方向。
电源系统
电池
为机器人提供电力，一般采用可充电电ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ。
感知系统架构
01
设计感知系统的整体架构，包括传感器数据的采集、处理和传
输。
触觉传感器
02
设计能够模拟蛇的触觉感知的触觉传感器，并开发相应的数据
处理算法。
视觉传感器
03
设计能够模拟蛇的视觉感知的视觉传感器，并开发相应的数据
处理算法。
导航软件设计
1 2
SLAM算法
使用SLAM（同时定位与地图构建）算法实现机 器人的自主导航。
蛇形机器人研究
1.蛇形机器人研究背景仿生学的范围很广，譬如雷达是对蝙蝠超声测距能力的模仿，而机翼使用的防震措施则借鉴了蜻蜓翅膀的结构。
仿生机器人运动学是仿生学的一个很重要的发展。
人类在智慧上超出动物很多，但在特定环境的适应上就要比动物差很多。
虽然人发明了很多的技术弥补了这一不足，但明显可以看到，舰船的灵活性比不上鱼类，飞机的灵活性比不上鸟类甚至昆虫，车辆的地形适应性比不上四条腿的动物。
仿生运动的研究可以弥补我们这方面的不足，对社会产生大的经济效益。
蛇形机器人的研究可以满足一些行业的需求。
蛇形机器人由于其天生的多关节、多自由度，多冗余自由度，可以有多种运动模式，可以满足在复杂环境中搜救、侦查、排除爆炸物等反恐任务；航空航天领域可用其作为行星表面探测器，轨道卫星的柔性手臂；工业上则可应用于多冗余度柔性机械手臂，管道机器人等方面。
2.国内外研究情况分析1）目前国内外对蛇形机器人研究综述近几年来，特别是2000年以来，蛇形仿生机器人正在成为全世界新的研究热点。
其理由有二：首先，仿生机器人学正在机器人领域占有越来越重要的位置，而由于其自身的典型性，蛇形机器人是仿生领域的热点研究方向；其次，运动机理特殊的蛇形机器人有广阔的应用情景，例如战场上的扫雷，爆破，空间站的柔性机械手臂，通过能力很强的行星地表探测器等；且其模块化结构和高冗余度非常适应于条件非常恶劣而又要求高可靠性的战场、外层空间等环境。
国内也已经有单位开展这方面的研究，例如国防科大与中科院沈阳自动化所。
2）国内外研究概况a) 美国宇航局(NASA)的SnakeBotNASA于1999年开始研究多关节的蛇形机器人，计划在其太空计划中用于行星地表探测以及空间站维护工作。
其第一代蛇形机器人如图所示。
它采用相邻正交的串联机构，由中央计算机集中控制。
该机器人能完成蠕动前进，游动前进，翻越简单障碍物等功能。
该蛇形机器人结构简单合理，对目前的蛇形机器人结构产生了很大的影响。
b) 德国Gavin.H S1-S5德国人Gavin.H从约1997年开始从事蛇形机器人的研究工作，到目前为止共设计并制作了S1,S2,S3,S4,S5五代蛇形机器人，图3为S5。
蛇形机器人的运动分析以及步态研究
蛇形机器人的运动分析以及步态研究谭启明;何振勇;陈然【摘要】近年来,蛇形机器人作为一类有重要应用前景的仿生机器人受到了国内的广泛关注,并取得了很多进展.蛇形机器人跟传统的两足式机器人或者履带机器人比较,具有更好的运动稳定性和环境适应能力.蛇形机器人是一种新型的仿生机器人,与传统的轮式或两足步行式机器人不同之处在于,它实现了像蛇一样的基本运动模式.本文提出了一种类似正弦波形的7关节三动杆蛇形机器人结构模型,并对该机器人的基本步态进行了分析研究,对其前进的方式进行了数学建模设计,为该蛇形机器人在具体设计制造前提供了理论分析基础.【期刊名称】《电子设计工程》【年(卷),期】2013(021)011【总页数】4页(P43-45,49)【关键词】蛇形机器人;运动分析;步态分析;刚性连杆【作者】谭启明;何振勇;陈然【作者单位】华南理工大学广东广州510640;华南理工大学广东广州510640;华南理工大学广东广州510640【正文语种】中文【中图分类】TP242蛇的生存环境是非常多样化的：森林、沙漠、山地、石堆、草丛、沼泽甚至湖泊。
它独特的蜿蜒爬行方式使其在各种生态条件下都随遇而安、运动迅速自如。
适合在水下地下管道，凹凸不平的表面，墙壁之间的狭小裂缝，桥梁缆索等特殊环境下作业、具有广泛的应用前景。
文中提出了一种7关节6连杆的蠕动仿生蛇形机器人，其为行波传递运动方式，下面我将对这种机器人进行研究。
1 蛇形机器人的模型结构设计与步态研究每个关节长度为：a，质量为：m，初步模拟有7个关节。
电机减速器安装在其轴线上，杆件的重量相当于关节来说可以忽略不计，因此转轴中心作为杆件的质心，其在表面上蠕动进行时，它的简化模型如图1中的蛇形蠕动前行[1]。
（图2只给出了3节的运动分析）首先研究的是3动杆的运动步态，做模拟的运动图解如图1。
首先点P0沿着X轴前进，其他点P i（i≥2）固定不动；于此同时，杆件P0 P1与X轴之间的夹角α从0°到达给定的角度α0。
蛇形机器人的研究与发展综述
蛇形机器人的研究与发展综述苏中;张双彪;李兴城【摘要】A literature survey of researches on snake-likes was provided regarding morphology, modeling of kinematics and dynamics,locomotion control and stability.The analyses and summary were made according to the two-dimensional and three-dimensional locomotions.Classifications of snake-like robots were presented due to the differences of structures and movement types.Finally, the development of snake-like robots in future was predicted.%对国内外蛇形机器人进行了研究和分析，将其分为形态研究、运动学和动力学模型、步态控制及稳定性等研究内容，从二维运动和三维运动角度，对研究内容进行了综述、分析和总结。
结合蛇形机器人的结构和运动步态特点，对国内外研制的蛇形机器人进行了分类，最后对蛇形机器人的研究发展进行了展望。
【期刊名称】《中国机械工程》【年(卷),期】2015(000)003【总页数】12页(P414-425)【关键词】运动步态;运动学;动力学;控制方法;稳定性【作者】苏中;张双彪;李兴城【作者单位】北京信息科技大学，北京，100101; 北京理工大学，北京，100081;北京理工大学，北京，100081;北京理工大学，北京，100081【正文语种】中文【中图分类】TP242随着科技的不断发展，蛇形机器人作为新型可移动的柔性机器人，以其具有多步态运动能力，且能够适应复杂多变的环境的特点，成为机器人领域的一个研究热点。
蛇形机器人的运动规划方法研究
蛇形机器人的运动规划方法研究蛇形机器人是一种仿生机器人，其运动方式灵感来源于蛇类动物。
以其独特的外形和灵活的运动方式而备受关注。
然而，由于其多自由度、非线性和高度耦合的特点，蛇形机器人的运动规划一直是一个具有挑战性的问题。
蛇形机器人的运动规划主要涉及到路径生成和轨迹跟踪两个方面。
路径生成是指为机器人规划一条合适的路径，使其能够到达目标位置。
轨迹跟踪则是指机器人在运动过程中如何实时调整自身姿态，以保持机器人的稳定性和准确性。
在路径生成方面，一种常用的方法是基于虚拟结点的方法。
通过将机器人的身体划分为多个虚拟结点，并定义结点之间的连接关系，可以生成一条连续的路径。
另一种方法是基于采样的方法，即通过在环境中进行采样，找到一组符合要求的路径点，然后通过插值方法将这些路径点连接起来。
此外，还有一些基于图搜索和优化算法的路径生成方法，如A*算法和遗传算法，可以用于解决复杂环境下的路径规划问题。
在轨迹跟踪方面，蛇形机器人的非线性和高度耦合性质使得传统的控制方法难以适用。
一种常用的方法是基于模型预测控制的方法。
通过建立机器人的运动模型，并进行预测和优化，可以实现对机器人运动的精确控制。
另一种方法是基于反馈线性化的控制方法，通过将非线性系统线性化，并设计线性控制器来实现对机器人的控制。
除了上述方法，还有一些新颖的方法被提出用于蛇形机器人的运动规划。
例如，基于深度学习的方法可以通过训练神经网络来实现对机器人的运动规划。
此外，还有一些机器学习方法，如强化学习和遗传算法，可以用于解决蛇形机器人的运动规划问题。
综上所述，蛇形机器人的运动规划是一个具有挑战性的问题，需要采用多种方法来解决。
路径生成和轨迹跟踪是蛇形机器人运动规划的关键问题，而虚拟结点、采样、图搜索和优化算法、模型预测控制、反馈线性化以及深度学习等方法都可以用于解决这些问题。
随着技术的不断发展，相信蛇形机器人的运动规划方法将进一步完善，并在各个领域得到广泛应用。
蛇形机器人的运动分析以及步态研究
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第２ １ 卷 第 １ １ 期
Ｖ０ １ ． ２１
Ｎｏ ． １ １
电子设 计 工程
Ｅｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ Ｅｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ
２ ０ １ ３年 ６月
Ｊ ｕ ｎ ． ２ ０ １ ３
蛇形机 器人 的运动 分析 以及步 态研 究
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蛇形机器人运动机制的仿生研究
蛇形机器人运动机制的仿生研究关键信息项：1、研究目的2、研究方法3、研究进度4、成果评估标准5、知识产权归属6、合作方式7、风险与责任承担8、经费预算及使用9、保密条款11 研究目的本协议旨在明确关于蛇形机器人运动机制的仿生研究的目标和期望成果。
通过对蛇类生物运动方式的深入分析和模仿，开发出更高效、灵活和适应性强的蛇形机器人运动模式，以应用于多个领域，如救援、探测、工业生产等。
111 具体目标包括但不限于：1111 深入理解蛇类生物的肌肉运动、骨骼结构和关节活动对其运动的影响。
1112 建立精确的蛇形机器人运动数学模型。
1113 设计并实现能够模拟蛇类多种运动形态的机器人硬件结构和控制系统。
12 研究方法121 采用多学科交叉的研究方法，融合生物学、机械工程学、电子工程学、计算机科学等领域的知识和技术。
122 对蛇类生物进行实地观察和影像资料分析，获取其运动特征和规律。
123 运用先进的建模软件和仿真工具，对蛇形机器人的运动进行模拟和优化。
124 制作实验样机，进行实际运动测试和性能评估。
13 研究进度131 第一阶段（时间区间 1）：完成蛇类生物运动数据的收集和分析，初步建立理论模型。
132 第二阶段（时间区间 2）：设计机器人硬件结构和控制系统方案，并进行初步制作。
133 第三阶段（时间区间 3）：进行样机的调试和实验，优化运动性能。
134 第四阶段（时间区间 4）：对最终成果进行全面评估和总结。
14 成果评估标准141 运动速度和灵活性达到预定指标。
142 能够适应多种复杂地形和环境条件。
143 与真实蛇类运动的相似度和仿生效果显著。
144 控制精度和稳定性符合设计要求。
15 知识产权归属151 研究过程中产生的所有知识产权归合作双方共同所有。
152 未经双方同意，任何一方不得擅自将知识产权转让或授权给第三方。
16 合作方式161 双方成立联合研究小组，明确各自的职责和分工。
162 定期召开研究进展会议，交流研究成果和问题。
一种可重构蛇形机器人的研究
一种可重构蛇形机器人的研究可重构蛇形机器人（Reconfigurable Snake-like Robot）是一种基于蛇形形态的机器人设计，它具有自主变形能力的特点。
这种机器人能够通过改变自身的形态和结构，适应不同的环境和任务需求。
在现代机器人技术的发展中，可重构蛇形机器人被广泛应用于各种领域，如救援、勘测、管道探测等，具有广阔的应用前景。
可重构蛇形机器人的研究可以从以下几个方面展开：1.结构设计：可重构蛇形机器人的结构设计是其重要组成部分。
机器人的主体由多节连杆组成，每个连杆之间都能够自由运动，从而实现机器人的变形。
这种设计可以通过电机、液压或气动等方式驱动每个连杆的运动，使机器人具备更大的灵活性和可控性。
2.运动控制：机器人的运动控制是可重构蛇形机器人研究的关键技术之一、通过对每个连杆的运动进行精确控制，机器人可以实现多种运动形式，如爬行、攀登、转向等。
这些运动模式可以通过传感器来实时感知环境，并通过算法进行运动规划和控制。
3.自主感知与决策：为了使机器人能够适应不同的环境和任务需求，可重构蛇形机器人需要具备自主感知与决策的能力。
通过搭载各种传感器，如摄像头、超声波、激光雷达等，机器人可以实时感知周围的环境信息，如障碍物位置、形状和距离等。
同时，机器人还需要具备自主决策的能力，能够根据感知到的信息，做出相应的运动和形态变换决策。
4.智能控制算法：可重构蛇形机器人的运动控制和形态变换需要依靠智能控制算法的支持。
通过采用机器学习、遗传算法、强化学习等先进的控制算法，可以使机器人具备更加智能化的行为和决策能力。
这些算法可以根据机器人的运行环境和任务需求，对运动控制和形态变换进行优化和自适应调整，从而提高机器人的运动效率和适应能力。
5.应用领域：可重构蛇形机器人在应用领域上具有广泛的潜力。
在救援领域，机器人可以通过变形的能力，适应各种复杂的环境，如狭窄的通道、倾斜的地面等，实施搜救行动。
在勘测领域，机器人可以利用其变形能力，穿越地下管道，进行管道检测和维护。
蛇形机器人论文
上海电力学院本科毕业设计（论文）题目：仿生机器蛇的设计与仿真院系：电力与自动化工程学院专业年级：测控技术与仪器学生姓名：学号：指导教师：【摘要】在仿生机械学中，模仿生物蛇而衍生的机器蛇将逐渐具备灵活的变形特征。
具有多于确定机器人空间位置和姿态所需的自由度，使得它可摹仿生物蛇的运动状态，在许多的领域具有广泛的应用前景。
本文提出了一种类似正弦波形的7关节三动杆蛇形机器人结构，并对该机器人的步态进行了分析，对其前进的方式进行了数学建模设计，最后使用软件ADAMS2007进行运动的计算机建模和模拟仿真，通过仿真，验证了模型的步态过程与端点的轨迹曲线。
为该蛇形机器人在具体设计制造前提供了理论和仿真。
关键词：蛇形机器人；运动模拟；ADAMS建模仿真【Abstract】In simulation mechanics, snake-machine which derives from simulating biological snakes becomes more and more flexible. Snake-machine is a highly redundant robot which has more freedoms which is needed in space location and gestures than definite robot, thus it can simulate the movement of snake and has a better prospect: for example it can execute investigation missions、mine sweeping and searching. The variation of movement makes it has a better ability of adaption, every joint derived separately, it has a strong load capacity and easy maintenance. This article provides a structure of sinusoidal seven joints snake-machine, and gives a conclusion by using the software ADAMS2007 to execute the modeling of motion and simulation. This snake-machine gives theory and simulation before specific design and manufacturing.Key Words:Snake-like robot；Motion simulation；ADAMS Modeling and Simulation目录1 绪论.......................................................... - 1 -1.1课题研究的背景及意义 (1)1.2仿生机器蛇的研究现状及发展 (1)1.2.1 国外研究现状......................................... - 1 -1.2.2 国内研究现状......................................... - 5 -1.3蛇的运动方式. (6)1.4本文的研究内容 (7)2 仿生机器蛇的运动分析及步态研究................................ - 9 -2.1引言 (9)2.2仿生机器蛇运动模型 (9)2.2.1 仿生机器蛇的侧向运动模型.............................. - 9 -2.2.2 仿生机器蛇的蠕动运动模型............................. - 10 -2.3仿生机器蛇的步态研究. (11)2.3.1 仿生机器蛇的模型结构设计............................. - 11 -2.3.2 仿生机器蛇的步态研究................................. - 11 -2.3.2 仿生机器蛇的步态与位移分析........................... - 12 -2.3.3 仿生机器蛇各连杆间的相对角位移....................... - 14 -2.3.4 仿生机器蛇设计....................................... - 14 -2.4本章小结. (16)3 仿生机器蛇的ADAMS仿真....................................... - 17 -3.1ADAMS软件介绍 (17)3.2仿生机器蛇的ADAMS仿真流程 (18)3.3仿生机器蛇的ADAMS仿真模型参数 (19)3.4仿生机器蛇的ADAMS仿真结果分析与验证 (21)3.5本章小结 (27)4 总结......................................................... - 28 -4.1结论 (28)4.2展望 (28)致谢........................................................... - 29 -参考文献....................................................... - 30 -附录........................................................... - 31 -附录1：ADAMS中的STEP和IF函数及方形波函数 (31)附录2：ADAMS中的约束关系 (33)附录3：万向节 (34)1 绪论1.1 课题研究的背景及意义蛇的生存环境是非常多样化的：森林、沙漠、山地、石堆、草丛、沼泽甚至湖泊。
仿生蛇形机器人的设计及研究
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蛇形机器人发展历程及应用前景分析
35中国设备工程 2019.06 （上）中国设备工程C h i n a P l a n t E n g i n e e r i ng科学技术的发展催生出新型的移动性比较强的蛇形机器人，总的来讲，蛇形机器人具有适应性强且应用范围光的特点，这使得蛇形机器人逐渐发展成为研究的热点。
需要特别注意的是，蛇形机器人具有伪装性强、隐蔽性高以及结构集成化程度高等优点，这使得其能够很好地满足军事巡逻以及侦查等工作的需求，这意味着蛇形机器人的应用范围不断得到拓展，对我国的建设发展起着极大的推动作用。
1 蛇形机器人演变过程蛇形机器人的发展基础是生物蛇。
生物蛇的起源可以追溯到20世纪40年代，相关研究人员对蛇的形态特征进行了研究分析，同时将其运动形态分为蜿蜒运动、直线运动和侧移运动等。
蜿蜒运动的传播特征为侧波，随着波的移动，蛇能够实现形态上的移动，同时运动的效率比较高，这种运动形态在比较平坦的地形中表现出比较强的适应性。
直线运动指的是生物蛇借助肌肉以及肋骨的交替性运动形式，促使身体向前移动，这种方式与毛虫的爬行方式比较一致，但是整体的运动效率比较低，直线运动形态往往与其他形式的步态结合使用，在比较狭窄的区域内比较适用。
鼓风琴运动形态与蜿蜒运动较为相似，但是鼓风琴运动往往是借助身体的向前牵引力，促使身体不断向前运动，生物在树上进行爬行时往往会借助这种运用形态。
侧移运动表现出螺线型的特征，身体可能出现横向或者斜向的运动状态，侧移运动比较奠定的表现方式是沙漠中的响尾蛇，这样的运动形态使得生物表现出比较强的适应性，同时生物体在沿着树干或者杆体进行爬动时往往会采用这样的运动形态。
侧翼运动往往也具有一些螺旋线的运动特征，它借助的是螺旋内侧以及物体之间的相互摩擦来对身体进行稳定，与弹簧伸缩的功能比较类似，此时生物体的身体可以实现移动。
在生物蛇研究内容的基础上，相关学者便开始对蛇形机器人发展历程及应用前景分析王元友1，马小林1，张文敬1， 刘占双1，程诚2（1.国网青海省电力公司检修公司，青海 西宁 810000；2.睿策（河南）智能科技有限公司，河南 洛阳 471000）摘要：随着科学信息技术发展水平的提升，蛇形机器人逐渐出现在人们的视野，同时在不同的行业内体现出应用价值。
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农机水利
农业与技术
蛇形机器人的研究与发展
谢哲东 张添一
（吉林农业大学工程技术学院，吉林 长春 130118）
摘 要：随着仿生技术的不断进步，机器人领域的不断拓展，仿生机器人的研究逐渐成为各位学者、专家关注的焦点，这也大大扩展了机器人的应用领域。
本文阐述了蛇形机器人应用背景和发展现状，并根据当前国内外的研究现状对其展望了未来的发展趋势。
关键词：蛇形机器人；国内外发展；应用领域；发展趋势
中图分类号：TP24 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20171032031
引言
随着生物的不断进化，如今的生物都具有很强的运动能力和环境适应能力，这引起许多科学家的注意，而随着仿生学的不断进步，仿生机器人便应运而生。
而生物蛇由于其细长的身体结构及特有的活动方式，具有很强的环境适应能力和在地面稳定运动的特点，在机器人领域中是特有的存在。
它特有的优势使它拥有广阔的发展前景。
身体紧贴地面、降低重心的爬行运动模式使其运动具有较强的稳定性；通过身体的摆动与地面产生摩擦，从而获得前进动力的运动方式具有自主可调控的避障越障的能力；细长的身体和多种运动步态使其可以通过多种崎岖复杂的路段，甚至具有攀爬立柱的运动能力；由于蛇形机器人能够在人类难以到达的未知环境中工作，具有隐蔽性，增加安全系数，减少人力，减少因疲劳所带来的一系列误差等因素，能够把人从繁重、危险、单调乏味的工作环境中解脱出来，代替人完成人类主观想要完成的复杂作业。
因此被广泛应用到军事领域、科学探险、救灾抢险、工业检测等多个领域，具有广泛的应用前景。
军事领域（反恐防暴）：在战场，可以将雷达检测器应用在蛇形机器人身上，通过蛇形机器人的快速运动
已达到迅速扫雷、避雷的作用。
同时，因为蛇形机器人细长的身体结构，在战场或者谍报工作时具有一定的隐蔽性，以达到探测、窃取情报甚至起到定点引爆的工作。
民用领域（救灾抢险）：因为蛇形机器人具有超强的环境适应能力，所以可以在一定恶劣的环境，例如：毒气、粉尘、辐射、高温，低温等条件下仍然具有很强的工作执行能力；在灾后废墟中抢救、寻找幸存者能发挥巨大的高效作用。
工业领域（检测）：可对地下管道进行故障勘探，查出堵塞点，甚至可以疏通堵塞管道。
其他领域：在太空中对航天器等外部零件的维修作业；对未探索，具有一定危险系数的星球进行地质勘探发送资料和影像，提高工作人员的安全效率。
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蛇形机器人国内外的发展现状
1.1 国外的研究
1972年由日本东京大学的Hirose 教授研制的第一台蛇形机器人诞生，并将其命名为ACM （Active Cord Mechanism ）蛇形机器人。
再到后来研究的逐渐深入，ACM-R2、ACM-R3、ACM-R4、ACM-R5的先后研制和完善，如图1所示，使蛇形机器人成为仿生机器人中最
具代表性的研究热点。
图1 ACM、ACM-R2、ACM-R5蛇形机器人
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农业与技术
再到德国Karl.L.Paap 研制的GMD 蛇形机器人，如图2所示，但是GMD 机器人优缺点明显，它虽然具有较强的灵活运动能力，但在机头每次抬起时，由于受到
机头的重力作用，导致关节向下弯曲，造成控制失灵，无法正常工作的结果。
1999年，美国开始研制NASA 蛇形机器人，如图3所示，他们改进了之前由卡耐基梅隆大学研制的CMU 蛇形机器人，并计划将其应用在太空，应用于行星地表
探测以及空间站维护工作，该蛇形机器人可以灵活地在复杂的行星表面穿梭，并独立规划路径以达到避障的效
果。
图2 GMD 蛇形机器人
1.2 国内的研究
1999年3月，由上海交通大学崔显世、颜国正研制出的我国第一台微小型仿蛇机器人样机。
在之后的中科
院沈阳自动化所，以马书根为核心的机器人研发团队所研制出的蛇形机器人巡视者 II 和探查者Ⅲ，为我国星球探测和灾难救援等领域的应用提供技术支持，如图4所示。
图3 NASA
蛇形机器人
图4 上海交大研制的蛇形机器人、沈阳自动化所研制的巡视者 II 和探查者Ⅲ
2
蛇形机器人的结构类型
因为生物蛇活动方式的多变灵活性，所以目前一般
的蛇形机器人机械结构采用模块化设计思想，由多个相同的单元体模块首尾串联依次连接而成，每个模块都具有独立的驱动和控制系统，可以产生有限范围内的相对
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农机水利
农业与技术
运动。
通过主机控制各模块的运动时序，相互协调，蛇形机器人可以实现多种运动形式。
如果需要完成特定的工作需要在“蛇头”添加传感或者视觉等机构。
蛇形机器人的关节选取直接决定了其运动的方式，目前应用最广泛的关节种类（图5）有以下。
2.1 平行连接关节
关节单元模块之间的转动副轴线相互平行且垂直于蛇体纵轴；仅能做二维平面内的运动。
难于适应复杂环境。
2.2 正交连接关节
邻转动副的轴线互相垂直，且均垂直于蛇体纵轴，
这样得到的每个关节连接虽然只有一个自由度。
但正交关节以2个关节3个连杆组成的正交铰接为最小单元，可完成三维运动。
2.3 万向节连接关节
万向节连接关节的蛇形机器人相对于其它连接方式运动最为灵活。
制作成本较高，加工要求很高的精度，控制比较困难，可完成三维运动。
2.4 P-R 关节
P-R 连接是在2个俯仰（Pitch ）关节（转动副与关节轴线垂直）之间添加一个转动轴线与关节纵轴重合的横向转动（Roll ）关节，可完成三维运动。
通过关节的相互协作，会使蛇形机器人产生多种不图5 蛇形机器人平行连接关节、正交连接关节、万向节连接关节、P-R 关节
同的运动模式，总结成如下表分类。
表1 4种运动模式特点
蜿蜒运动
行波运动
侧向运动
螺旋运动
运动机理通过身体的摆动摩擦地面，获得前进的力通过伸缩运动进行前进抬起部分身体向身体侧向移动通过蛇体呈螺旋状或等螺距抱紧管状物外表面后
的翻滚或蠕动步态来实现
运动范围水平面内竖直面内水平和竖直面内三维空间
适用范围平坦的硬地面
大多数环境中运动
沙地等软地面
特殊环境下的行走，如管道内、外攀爬
移动速度
最快
最慢
较快
慢
3
展望
从现有的蛇形机器人来看，未来机器人连接方式的
开发将遵循通用性、经济性和鲁棒性的原则，其结构的设计将沿着可重构性发展，而目前所研制的蛇形机器人存在共同的问题便是机器人的关节驱动多采用内置舵机转位，关节结构复杂，响应速度和爬行速度偏慢，影响工作效率，控制效果不佳。
随着研究的深入，如何设计结构简单、易于控制、运动灵活的连接方式，是人们必须面对和函待解决的问题。
因此，以仿蛇形机器人发展前景和目前存在的问题展开研究，为了实现多个模块化关节协同运动控制，可以尝试设计一种采用拉线驱动2自由度完全正交输出关节组成的蛇形机器人，有助于提高蛇形机器人的灵活性、高能效、精巧性的应用技术水
平，提高对复杂环境的适应能力，对蛇形机器人的发展提供新鲜的研究途径。
参考文献
[1]苏中,张双彪,李兴城.蛇形机器人的研究与发展综述[J].中国机械工程,2015,26(3):414-425.
[2]陈丽,王越超,李斌.蛇形机器人研究现况与进展[J].ROBOT,2002,24(6):559-563.
[3]林永光.一种具有空间关节的蛇形机器人系统设计与实现[D].燕山:燕山大学(硕士论文),2006:2-6.
作者简介：谢哲东（1974-），男，吉林长春，博士，研究方向：先进制造技术与装备及机器人技术；张添一（1992-），男，吉林长春，硕士，研究方向：蛇形机器人。