拉线式蛇形机器人结构设计及运动仿真分析

摘要

随着世界经济水平的全面提升，科学技术的不断进步，技术领域的不断拓展，机器人技术迎来飞速发展的黄金时期，仿生机器人也逐渐受到众多专家学者的重视，蛇形机器人是仿生机器人中极具代表性的一种，因其独特的运动方式在社会、生活的应用领域中有着重要的实用价值。 蛇形机器人是一种高冗余自由度的运动机器人，由若干相同模块首尾依次连接而成，在多种复杂地形上能够采取灵活多变的运动方式去完成运动，具有良好的运动稳定性和很强的环境适应能力，在军事、医疗、救灾等领域有着广阔的应用前景。而目前设计出的众多蛇形机器人存在控制困难、关节重量过大影响运动效率等问题，为了增强蛇形机器人灵活性，本文提出了一种拉线式蛇形机器人，使其能更好的完成躲避多重复杂形状的障碍，达到提高运动效率的效果。 首先本文通过介绍国内外蛇形机器人的发展现状并阐述当代蛇形机器人的优势与不足，根据当前蛇形机器人的发展趋势，本文由此提出拉线式蛇形机器人结构。采用拉线式驱动打破了传统电机驱动的设计思想，通过对生物蛇骨骼结构的研究设计出了模块化、相互串联的结构连接方式，通过对目前常用关节结构的对比选取了适合本文所研制机器人所需要的十字正交关节，并分别对关节和单元模块尺寸及材料进行详细介绍，构建蛇形机器人的三维模型，阐述了拉线式蛇形机器人各部分的工作原理。 然后仿照生物蛇的运动方式设计出本文拉线式蛇形机器人的运动方式，并以多种运动方式中最为常见的蜿蜒运动为主要研究对象，通过D-H法建立运动学模型，应用Serpenoid曲线推出蜿蜒运动的运动学控制方程，利用MATLAB软件对控制方程中各参数对运动影响强弱进行了仿真分析。 最后同样以蜿蜒运动为研究主体，通过拉格朗日法建立动力学模型并对拉线式蛇形机器人进行动力学分析，推导出动力学方程，随后分析了拉线驱动产生的力与力矩，最终利用Adams软件，将之前应用SolidWorks绘制好的三维结构简图代入Adams中，建立step函数，通过对函数内不同参数的设定来观察其对蜿蜒运动影响的强弱，选定最合适的参数，仿出其各个关节随时间变化的位移、速度、角度、角速度变化曲线。

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