蛇形机器人毕业论文.doc

仿生机器蛇设计和仿真研究
蛇形机器人毕业论文
蛇形机器人毕业论文


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4
仿生机器蛇的设计与仿真
仿生机器蛇设计和仿真研究
- 1 -
1 绪论
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。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。蛇可以爬树、游水、钻洞、绕过障碍物、穿越沙漠，在平坦的地面爬行更是能达到行动如飞。蛇的身体，虽然只不过象一条绳子，但功能强大：在前行的时候可以当“腿脚”，在攀爬的时候可以当“手臂”，而在攫取东西时又可以当“4手指”。
在仿生机械学中，模仿生物蛇而诞生的仿生机器蛇将逐渐具备这些特性。仿生机器蛇是一种高冗余度移动机器人，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，在许多领域具有广泛的应用前景。
在军事方面，它可以是未来战场上的重要侦察、监视和攻击武器，能以可接受的成本执行某些有价值的任务：还可用于战争危险估计、目标搜索、通信中继，监测化学、核或生物武器，侦察建筑物内部情况等，可适用于城市、丛林、沙漠甚至海洋等多种作战环境。在民用方面，与传统的以轮子或“机械腿”作为行走工具的机器人相比，由于仿生机器蛇的身体重量分布在较大的支持区域上，所以对土质松软的地域进行探测时可以显示出更强的适应性，适合对未知的区域进行探索。如在有辐射、粉尘和有毒环境中进行侦察，搜寻有毒气体或化学物质源：在地震、塌方及火灾后的废墟中搜寻灾难幸存者；在狭小和危险条件下探测和疏通管道等。在科技方面，在外太空进行探测，仿生机器蛇灵活又坚固，既可以在航空器外进行维修作业，也可以在其它星球崎岖不平的地形中自由移动以进行探测和采样：同时在实验室中，还可以为人们研究数学、力学、控制理论和人工智能等提供实验平台。
仿生机器蛇的研究现状及发展
仿生机器蛇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。“无肢运动”是机器人运动方式的一个突破因而被国际机器人业界称为“最富于现实感的机器人”。
　国外研究现状
发达国家十分重视仿生机器蛇的研制和开发。从1972年日本东京工业大学的I-lirose教授研制出第一台至今，相继有数十台仿生机器蛇样机问世。在文献K1日中对早期的一些样机有较全面的介绍。目前，国外比较系统而深入地研究仿生机器蛇的机构主要有：日本东京工业大学的
仿生机器蛇的设计与仿真
仿生机器蛇设计和仿真研究
- 2 -
Hirosc机器人实验室( Robot Lab)、美国密歇根大学(University ofMichigan—UM)的移动机器人实验室(Mobfie Robotics Laboratory)、美国卡内基-梅隆大学(Carnegie Mellon University—CMU)的生物机器人技术实验室(Biorobotics Lab)等，其各期的样机基本包括了现有仿生机器蛇的所有重要特性。
HiroseFRobotLab公司研究的ACM系列仿生机器蛇
(1)ACM Ⅲ仿生机器蛇
（a）所示为Shigeo Hirose研制的世界上第一台仿生机器蛇ACM Ⅲ的整体样机，(b)所示。该样机由一系列轴线互相平行的模块连接构成，我们把这种连接方式称为“平行连接”。每个模块有独立的驱动器，为了避免运动时侧向滑动同时减少切向摩擦力，每个模块底部装有滚动轮。它利用躯干上的每个单节的相互转动，使得整体按一定的曲线形式发生弯曲变化，产生向前的驱动力，使得整体在地面上滑行，其轨迹为一条蛇行蜿蜒曲线。

（a）ACMⅢ样机 （b）ACMⅢ的局部连接和驱动装置
图1-1 代号为“ACMⅢ”仿生机器蛇
(2)ACM-R3仿生机器蛇
如图1-2(a)所示，ACM-R3在结构上，采用如图1-2(b)所示的框架，若干框架一横一竖联结成可实现三维运动的仿生机器蛇。我们把这种连接方式称为“正交连接”。在每一节上都装有巨大的轮子，从整体来看，这些轮子具有一些新的效果。它们把仿生机器蛇内部包裹起来，并且具有像生物蛇的皮肤一样的摩擦效果，如果这些轮子碰到障碍物，它们会自行滚动或滑动，无需电机驱动。控制方面。ACM-R3的每一节都携带各自独立的控制系统电路用于自制。这些独立的电路各自直接同仿生机器蛇上的主机联络，这样操作者通过无线遥控给主机发出命令，