摘 要

蛇形机器人，是仿照生物蛇的运动方式而创造出的一种和生物蛇的外形、运动方式相近的新型仿生机器人。由于它奇特的身体构造，适应性极强的运动特点，因此对它的研究得到全世界机器人行业研究人员的高度重视。而在上世纪中叶时期，日本东京的大学的一位教授就已经成功研制出全世界第一条蛇形机器人，经过半个世纪的发展，蛇形机器人的研究也一直在不断进行，如今的蛇形机器人种类繁多，有轮式、履带式，并且它的应用领域也十分的宽广，多用于灾后救援、火灾灭火等。本文以蛇形机器人为研究对象，对它的运动方式、智能化检测等作出分析。

仿生蛇形机器人之所以拥有独特的运动方式，与蛇的身体结构有着十分重要的关系。本文首先研究的就是机器蛇的关节结构，通过观察和了解生物蛇的骨骼构造设计了一种能够实现仿生物蛇运动的机械结构，由于时间、能力等的限制，目前只是对蛇的结构进行Solidworks建模,并应用Adams软件对模型进行了部分运动的仿真，并对其运动特性进行了分析。蛇形机器人的动力源是型号为KM7021MD的舵机，它扭矩较大能够满足蛇形机器人的驱动要求；蛇形机器人在实际情况中具有对周围环境的识别能力，本文通过对它添加视觉、触觉传感器，实现对周围环境的侦测功能。而对于蛇形机器人的控制则是通过单片机来实现。

仿生蛇形机器人的运动方式有很多种，最常见的就是蜿蜒运动，这种运动的波形和正弦曲线相似，生物蛇比较灵活，它的蜿蜒运动速度非常快，而机器蛇的速度就相对要慢一些。本文主要研究的就是蜿蜒运动，并对其进行了运动学仿真，并总结出各个驱动参数对于运动波形、运动速度的影响。其次，还对蛇进行了抬头运动的仿真，抬头运动对于生物蛇来说也是比较常见的，此运动能够使蛇的头部抬高，并获得更广阔的视野，这样更有利于侦测到周围的环境。

关键词：仿生蛇形机器人，机械结构，蜿蜒运动，舵机

Abstract

Snake-like robot is a new type of bionic robot capable of imitating the movement of biological snakes. Because it can be the same as the realization of biological "limb movement", which was the international robot industry as "the most realistic sense of the robot." As early as the seventies of last century Professor Hirose has successfully developed the world's first snake-like robot, after half a century of development, snake-like robot research has been ongoing, and now a wide range of snake-like robot Wheeled, crawler, and its application is also very broad, mostly for post-disaster relief, fire and fire. In this paper, the snake-like robot as the object of study, its movement, intelligent detection and so on.

The reason why the bionic snake-like robot has a unique movement, and the snake's body structure has a very important relationship. In this paper, we first study the structure of the labile's snake. By observing and understanding the skeletal structure of the biological snake, we designed a mechanical structure capable of realizing the movement of the mimetic snake. Due to the limitation of time and ability, the structure of the snake is only Solidworks The model is simulated by Adams software, and its motion characteristics are analyzed. The dynamic source of the snake-like robot is the steering gear of the model KM7021MD, which can meet the requirements of the snake-like robot. The snake-like robot has the ability to recognize the surrounding environment in the actual situation. By adding visual and tactile Sensor, to achieve the detection of the surrounding environment. The control for the snake-like robot is achieved through the microcontroller.

There are many kinds of movement of the bionic snake-like robot, the most common is the meandering movement, the movement of the waveform and sinusoidal similar, more flexible biological snake, its meandering movement speed is very fast, and the speed of the machine snake relative To be slower. In this paper, the main research is the meandering movement, and its kinematics simulation, and summed up the various drive parameters for the movement of the waveform, the speed of movement. Second, the movement of the snake, the rise of the movement for the biological snake is also more common, this movement can make the snake's head elevation, and get a wider field of vision, which is more conducive to detect the surrounding environment of.

Keywords: bionic snake-like robot, mechanical structure, meandering movement, steering gear

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 2

1.1 研究背景 2

1.2 研究意义 2

1.3 国内外研究现状 2

1.4 本文所使用的软件 5

1.4.1 蛇形机器人的建模软件Solidworks 5

1.4.2 蛇形机器人的仿真软件Adams 5

第二章 蛇形机器人相关部件 6

2.1 蛇形机器人的身体 6

2.1.1 自由度 6

2.1.2 蛇形机器人身体关节 6

2.2 蛇形机器人动力源舵机 11

2.2.1 舵机工作原理 11

2.2.2 蛇形机器人舵机 12

2.3 传感器 14

2.3.1 超声波测距传感器 14

2.3.2 图像传感器 15

第三章 蛇形机器人控制 17

3.1主从控制方式 17

3.2 具体的控制思路 17

第四章 蛇形机器人的运动与仿真 18

4.1 蜿蜒运动 18

4.1.1 蜿蜒运动学理论 18

4.1.2 控制参数对蜿蜒运动的影响 19

4.1.3 蜿蜒运动Adams仿真与优化 21

4.1.4 蛇形机器人运动分析 26

4.2 抬头运动 28

4.2.1 抬头运动理论 28

4.2.2 运动分析 30

4.3 转弯运动的分析 32

4.4越障运动 33

4.4.1 越障运动分析 33

4.4.2 ADAMS仿真 34

总结与展望 36

参考文献 37

致谢 38

第一章 绪论

1.1 研究背景

科学家在观察大自然的过程中，在很多的动物身上发现了很多的自然科学，并将动物身上的科学原理应用于科研的过程中，最终诞生了很多的仿生型科学产物，例如海豚和声呐、蝴蝶和人造卫星等。而仿生学一词知道上世纪六十年代才由美国的一位学者提出。从一开始，科学家们对于仿生学的研究投入到机器人领域。对于机器人的研究在最初也只是通过模仿人类的骨骼特点设计仿人机器人；慢慢地科学家开始将目标放在仿动物的仿生机器人，比如在上世纪六十年代就有科学家研究出世界上第一部蛇形机器人，并且将机器人应用于灾后搜救等工作中。仿生机器人的有点就在于它们模仿了自然界生物的身体结构特点，并且具有了该生物所拥有的运动特性，这样的机器人就能应用到很多的特殊环境中，为人类社会带来了很多的便利。

1.2 研究意义

仿生蛇形机器人在当今社会已经开始应用，特斯拉公司就把蛇形机器人设计成给汽车充电的工具，也有一些蛇形机器人可以参加火灾现场的灭火，这样可以增加消防员的安全保障。这些蛇形机器人的应用都是利用了它所具有的特殊身体结构和适应性很强运动特性。蛇形机器人不但会方便我们的日常生活还能够去做一些危险的工作，甚至提升科学研究水平，所以研究蛇形机器人是很有必要的，它就对人类社会的进步增添动力。

1.3 国内外研究现状

蛇形机器人的细长身体和独特运动方式 ，使其能够在各种环境中运动，比如震后的废墟、沙漠、楼梯等等。因此，具有多种运动方式的蛇形机器人有广泛的应用前景，可以应用到灾后救援、火灾现场灭火，医疗手术和外星探索等等。近年来 ，蛇形机器人的研究受到了科学界的广泛关注。

蛇形机器人不同于以往的仿人机器人，它的运动方式更加的独特，运动感十足，并且它的重心很低，运动速度也较快，在工业界被称为“最富于现实感的机器人”。