摘 要

在仿生机器人学中，模仿生物蛇而衍生出的蛇形机器人将逐渐具备灵活的变形特征。由于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，使得其在许多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八关节蛇形机器人结构设计，并对该机器人的运动情况进行了分析，对其前进及转向的方式进行了数学建模分析，最后使用软件PROE与ADAMS对蛇形机器人进行了整体建模与运动模拟仿真，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基础。

关键词：蛇形机器人；步态分析；ADAMS仿真

Abstract

In the field of biomimetic robotics, snake-like robot derived from biological snake will gradually become more flexible. Due to the redundant degrees of freedom, snake-like robot is able to imitate the motion of biological snake, which makes it broad application prospects in many fields. A kind of eight joint snake-like robot structure design is proposed in this paper and the movement situation of the robot is analyzed as well as its steering model. Finally the software Proe and Adams are used for modeling the snake-like robot overall and motion simulation which verify the model and provides theoretical foundation in concrete design before manufacturing.

• Key Words：Snake-like Robot；Motion Analysis；ADAMS Modeling Simulation

目 录

第1章 绪论 1

1.1 仿蛇形机器人的原理及研究热点 1

1.2 仿蛇形机器人的研究意义 2

1.3 蛇形机器人的优缺点和用途 3

1.3.1 蛇形机器人的优点 3

1.3.2 蛇形机器人的缺点 4

1.3.3 蛇形机器人的应用 4

1.4课题主要研究内容 5

第2章 蛇形机器人的运动分析 6

2.1蛇形机器人的蠕动原理 6

2.2蠕动步态规划 6

2.2.1蠕动步态描述 7

2.2.2由三连杆组成的蠕动步态波形传递模型 8

2.2.3波形传递阶段相邻连杆间相对角位移及其角速度分析 9

2.3 蛇形曲线的研究 11

2.3.1蜿蜒运动的参数选取和仿真结果 12

2.3.2左转向时参数的选择和仿真结果 14

2.3.3右转向时参数的选择和仿真结果 14

第3章 蛇形机器人运动机构的结构设计 15

3.1 驱动装置设计 15

3.1.1驱动方式选择 15

3.2 蛇形机器人运动部件设计 16

3.3 蛇形机器人传动装置设计 22

3.4 整体效果图 24

第4章 蛇形机器人控制系统设计 25

4.1 基于CAN总线单片机控制 25

4.1.1 舵机控制原理 26

4.1.2 单片机控制电路设计 26

4.2 控制程序编写 27

4.2.1主程序编写流程 27

4.2.2 PWM子程序编写 28

4.2.3 蛇体运动程序 29

第5章 蛇形机器人的ADAMS仿真

5.1 ADAMS软件简介 30

5.2用户界面模块(ADAMS/View) 31

5.3蛇形机器人ADAMS仿真 32

第6章 结论 36

参考文献 37

致谢 38

1 绪论

机器人技术的出现和进步与科技发展有着密不可分的关系，也印证了科学技术革命关于生产实践需要的理论。机器人，作为一种高新科技是不停发展和完善的，这种不停的发展和完善取决于科学技术革命的内在推动力。与此同时，机器人的发展和应用范围不断扩大，使科技成为显而易见的生产力，极大地促进着科技的发展，促进着人们生活的改善，促进着生产力的提高，促进着整个社会水平的进步。机器人技术作为当今科技发展的前沿学科，必将变成将来社会生产和生活中必不可少的角色。

在本文中我们将介绍和研究的就是仿生机器人的一种——蛇形机器人。

1．1 仿蛇形机器人的原理及研究热点

机器人学本身就是一个多学科交叉的学科，她需要多方面知识的融合。蛇形机器人作为机器人系统，也需要机构、控制、电子、通讯和智能等各个方面的支撑。本文粗略地将蛇形机器人的主要研究内容分为如下几个方面：

蛇的运动原理研究：蛇的运动形式独特，运动姿态复杂。很多学者已经对蛇的运动原理和运动形式做了研究，但绝大部分是从生物角度出发的。近些年随着仿生机器人的发展，机器入学者开始从机器人运动角度来研究蛇的运动原理，这是设计蛇形机器人的前提。

蛇形机器人机构：机构设计是蛇形机器人研究的核心和基础。在机构设计阶段，必须综合考虑蛇形机器人的控制方式、电路情况、通讯方式和电源情况。如果要加传感器，必须考虑传感器的信息融合。根据蛇的骨骼结构，目前蛇形机器人的单元大多采用模块化设计，模块化设计节约设计和生产成本，方便维修。如果采用精巧的连接机构和连接电路，蛇形机器人就成为可重构机器人的一种构形状态。

蛇形机器人运动形式和运动原理：这方面的研究主要有两个出发点，一个是根据自然蛇的运动状态，研究和提出适合蛇形机器人的运动形式。另一个是根据本身的机械系统建立蛇形机器人的物理模型，提出控制规律，研究蛇形机器人的运动原理。

蛇形机器人的控制方法：蛇形机器人具有超多的自由度，对蛇形机器人的控制无论在硬件上还是软件上都是一种挑战。现在，与机构相对应，蛇形机器人的控制一般也采用模块化的设计理念。每个模块化单元都包括控制（软件和硬件）单元。

蛇形机器人的环境识别：蛇形机器人要达到应用的目的，必须具有高度的适应性、运动能力。环境是影响蛇形机器人运动的重要因素，同一种运动方式在不同的环境中的运动效果截然不同。例如：在光滑地面上的和粗糙地面上的蜿蜒运动效果相差甚远，尤其是在沙滩上蜿蜒运动简直不能前进。所以必须选择合适的一个或一组传感器来识别环境信息。

蛇形机器人的智能控制：完成从上层的自主决策到下层的运动控制，使蛇形机器人成为真正意义上的智能机器人，是研究蛇形机器人的最终目标。