作为仿生机器人家族中的一员，蛇形机器人具有良好的弯曲性能，可以灵活地改变自身的形状与角度，能够实现环境中障碍物的避让，同时能够模块化地自动重组结构，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。

对于生物蛇的研究最早起源于1946年，Gray通过研究自然界的生物蛇，将其基本运动步态分为蜿蜒运动、直线运动、鼓风琴运动和侧移运动。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，使蛇形机器人成为仿生机器人中最具代表性的研究热点。后来德国 Karl.L.Paap 研制出了GMD 蛇形机器人，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。美国的卡内基梅隆大学（CMU）的仿生机器人实验室在 Howie Choset 教授的带领下，对蛇形机器人的结构特点、运动机理、运动方式以及控制方法进行深入的研究，先后研制出多代的蛇形机器人。这些蛇形机器人采用的是正交关节的结构方式，可以实现各种复杂的二维和三维运动。此外，Howie Choset 教授还将柔顺控制运用到蛇形机器人的控制当中，使它具有更加贴近生物蛇的运动特性，可以完成爬树、爬管、夹缝中内攀爬、自适应缠绕等极其复杂的运动。美国密歇根大学于 2005 年研制了履带式蛇形机器人 Omni Tread。Omni Tread 采用履带驱动，每一个关节模块含有四对履带，分布在关节的四个侧面，因此可以轻松驾驭各种复杂地形。另外，关节与关节之间通过转动轴连接，并且关节连接处有一风管，可以通过对各个关节的充、放气来协调控制整个机器人的动作，让它可以实现攀爬、前进、弯曲等运动。Omni Tread 因其出色的运动能力使其能够应用在各种灾难场合。

国内蛇形机器人技术起步较晚，但发展十分迅速。内研制的第一台蛇形机器人样机，由上海交通大学于 1999 年研制成功。因其关节连接方式所限，该蛇形机器人只能做二维平面内的运动。关节底部装有从动轮，通过蛇身关节的配合产生前进的动力，能够进行弯曲、前进、转弯。此后，上海交大的孙红博士通过对蛇形机器人的运动学与动力学进行深入研究和改进，研制出了具有三维活动能力的蛇形机器人。该蛇形机器人在原有的基础上进行改进，改变了关节的连接方式，扩展了它的运动控制，能够实现爬管子、爬树等运动。中科院沈阳自动化所是国内最具科研力量的研究机构之一，对蛇形机器人的研究也投入了很大的努力，先后研制出了数代具有二维、三维运动能力的蛇形机器人，早在 2001 年，沈阳自动化所通过对蛇形机器人的控制理论、运动学、动力学、机构设计和系统规划进行全面而系统的研究，在各个方面对蛇形机器人进行探索，研制出二维运动的蛇形机器人，然后进行改进，改变关节间的连接方式及运动控制方式，采用正交关节连接使其具有三维运动能力，研制出“巡视者Ⅱ”，以及“巡视者Ⅲ”，而最新的研究成果是 2011 年研制的水陆两用蛇形机器人“勘查者Ⅲ”。

2. 研究的基本内容与方案

蛇的运动方式主要分为蜿蜒运动、伸缩运动、侧向移动、直线运动、攀爬运动等.机器蛇主要通过电机驱动执行杆件带动各个模块运动、电机直接驱动模块运动、电机改变执行绳索的伸长量等三种方式驱动实现模块间的相对转动，从而实现蛇的各种运动方式.考虑到目前的蛇形机器人大多数只有单一运动状态，在特定环境下机器人能良好的工作，而在比较复杂的情况下，如在具有平坦路面和狭窄通道结合的环境中单一运动机器人的运动灵活性就略显不足。所以本文主要研究一种蜿蜒和直线运动复合形式的蛇形机器人，使蛇形机器人能在探险、救灾等复杂恶劣环境下能适时的切换运动状态，达到最佳的运动效率，使机器人的环境适用性得到提高。首先进行蛇类运动的仿生学分析，获知蛇类进行运动的骨骼和肌肉模型，从而进行蛇类运动的原理性分析。而后分析蛇形机器人蜿蜒运动和直线运动的运动学原理，提出适合于本次设计的蛇形机器人的运动学模型，并对其中相应的动力学部分进行简要分析。从而使研制的蛇形机器人能够在平面上进行蜿蜒运动和直线运动以及在狭窄的管道中进行直线运动。进行多仿生步态蛇形机器人的机构设计，并对其中的驱动器和各种零件做出说明.然后利用 ADAMS 多体系统动力学仿真软件对其建立仿真模型并进行仿真验证与数据分析。