模块化蛇形机器人的设计与研究

摘要

蛇形机器人的冗余度极高，具有多自由度的运动能力，使其可以模仿出生物蛇的多种运动模式，在运动行进过程中蛇形机器人与地面多点甚至线或面接触，运动稳定性好，对地形的适应能力强，在很多领域具有十分广泛的应用前景。
　　目前研制出的蛇形机器人具有多种结构形式，可实现多种运动模式。本文设计的蛇形机器人结构上采用模块化设计，其整体结构由九个相同模块化关节串联而成。模块化关节类似于一个万向节机构，具有横纵两个方向的自由度，每个自由度由各自的电机和控制系统进行驱动与控制。通过模块化关节连接而成的蛇型机器人具有高冗余度，可以使蛇形机器人实现多种姿态与运动模式，同时，采用模块化设计的蛇形机器人可根据不同的研究和使用环境对模块化关节进行增减，为后续的研究和实际应用提供了很大便利。
　　蜿蜒运动作为生物蛇最典型的一种运动，是蛇形机器人运动模式研究的核心问题。本文以设计出的模块化蛇形机器人为研究对象，对蛇形机器人的蜿蜒运动机理进行了深入研究，建立了基于蜿蜒运动曲线的蛇形机器人运动学模型，并在多体系统动力学仿真软件Recurdyn中建立蛇形机器人的数字样机。通过在Recurdyn软件的仿真环境中添加各种约束、接触，设定运动函数，对关节角函数各参数对蛇形机器人前进速度的影响进行了仿真验证，最后对仿真结果进行了分析和说明。
　　在以上研究的基础上，加工出了蛇形机器人模块化关节，搭建了由九个模块化关节组成的蛇形机器人实体样机，并对实体样机进行了蜿蜒运动试验。结果表明，设计的模块化蛇形机器人能够完成预定的蜿蜒运动。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 蛇形机器人的研究意义

1．2 研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 模块化蛇形机器人的特点

1．4 蛇形机器人研究的主要内容

第2章 蛇形机器人系统设计

2．1 生物蛇的结构

2．2 蛇形机器人常见关节连接方式

2．1．1 平行连接

2．1．2 正交连接

2．1．3 万向节连接

2．3 蛇形机器人模块化关节设计

2．3．1 模块驱动电机的选择

2．3．2 模块化关节设计

2．3．3 模块化关节设计的改进

2．4 蛇形机器人电气系统总体方案设计

2．4．1 电气系统实现的主要功能

2．4．2 电气系统组成

2．4．3 电气系统总体方案

2．4．4 主要分系统方案

第3章 蛇形机器人的运动形态与动力学分析

3．1 蛇形机器人的运动形态分析

3．1．1 蛇的运动形态

3．1．2 蛇形机器人的运动形态

3．2 蛇在蜿蜒运动时的动力学分析

3．2．1 蛇体模型简化与假设

3．2．2 蛇体切向力分析

3．2．3 蛇体法向力分析

第4章 蛇形机器人蜿蜒运动分析

4．1 引言

4．2 蛇形机器人的蜿蜒运动曲线

4．2．1 Serpenoid曲线的定义

4．2．2 Serpenoid曲线的形状控制

4．2．3 Serpenoid曲线的离散化设计

4．2．4 Serpenoid曲线的时域扩展

4．3 蛇形机器人蜿蜒运动机理

4．3．1 简化的蜿蜒运动曲线

4．3．2 蜿蜒运动步态的产生

4．4 基于Recurdyn的蛇形机器人蜿蜒运动的仿真

4．4．1 Recurdyn仿真环境介绍

4．4．2 仿真环境设置

4．4．3 蛇形机器人蜿蜒运动仿真

4．4．4 仿真分析

第5章 蛇形机器人样机实现与试验

5．1 蛇形机器人样机结构装配

5．1．1 初期蛇形机器人样机

5．1．2 改进型蛇形机器人样机

5．2 蛇形机器人样机试验

5．2．1 蛇形机器人的蜿蜒运动

结论

致谢

参考文献

作者简介

攻读硕士学位期间发表的论文和科研成果