（机械电子工程专业论文）欠驱动蛇形机器人的设计与研究.pdf

中文摘要 随着科学技术的发展，人类的进步。机器人技术的发展非常迅猛，各种各样 的机器人纷纷面世，而且得到了广泛的应用。现在的机器人已从传统的简单代 替人类繁重和简单重复的劳动中走出来，越来越接近“人刀的概念。已开始向 星际探索、军事侦察、地下管道的疏通、疾病治疗、抢险救灾等非结构环境下 的自主作业方面发展。 正是这一研究方向的转变，人们开始了仿生机器人的研究，因此首先诞生了 步行机器人。步行虽然有很强的适应能力并且还有横向运动的能力，但其较低 的运动速度和运动稳定性是其致命的缺点。这个时候人们开始把目光投向自然 界中无肢运动的动物，因为这种运动方式有着良好地面适应能力和运动稳定性， 仿蛇形机器人就在这种背景下诞生了。 本学位论文为了精简蛇形机器人的结构，减轻重量，提高效率降低能耗，在 实验室现有欠驱动机械臂的基础上，依据摩擦盘运动传递机构和欠驱动理论设 计出了一种新的适合于蛇形机器人的结构形式。依据模块化的设计思想完成了 蛇形机器人的结构设计，并建立了相应零件的三维模型。 接着在摩擦盘运动传递机构数学模型的基础上完成了欠驱动蛇形机器人模 块的运动学建模，在此基础上对其进行了非完整性证明和可控性分析，从能量 和控制两个角度确定了该欠驱动蛇形机器人模块的合理的关节数，之后通过仿 真分析验证了运动学模型的准确性和可控性。 然后对欠驱动蛇形机器人进行了运动学分析，在此基础上结合h i r o s e 教授 提出的s e r p e n o i d 曲线对其进行了蜿蜒运动的轨迹规划，之后通过仿真分析验 证了该模型可以按照规划的轨迹完成蛇的蜿蜒前进运动，从而表明了这种以摩 擦盘运动传递机构为基础的新的结构形式适合于蛇形机器人，说明了设计欠驱 动机械臂的理论可以用于蛇形机器人的设计。 最后按照凯恩方程法的建模步骤完成了欠驱动蛇形机器人系统的动力学建 模，为后续更合理的轨迹规划和可行的控制算法的研究打下了理论基础。 关键词：欠驱动，非完整，蛇形机器人，轨迹规划 a b s 仃a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g ya n dh u m a np r o g r e s s r o b o t i ct e c h n o l o g yi s d e v e l o p i n gv e r yr a p i d l y , av a r i e t yo fr o b o t sh a v eb e c o m ea v a i l a b l e ，a n db e e nw i d e l y u s e d n o wt h er o b o tn o to n l yt or e p l a c et h et r a d i t i o n a lh u m a nh e a v ya n ds i m p l e r e p e t i t i v ew o r k , b u ta l s ot og e tm o r ea n dm o r ec l o s et ot h e ”p e r s o n ”c o n c e p t i th a s t u r n e dt oi n t e r p l a n e t a r ye x p l o r a t i o n , m i l i t a r yr e c o n n a i s s a n c e ，u n d e r g r o u n dp i p e s ， d i s e a s et r e a t m e n t ，e m e r g e n c yd i s a s t e rr e l i e fa n do t h e rn o n s t r u c t u r a le n v i r o n m e n t i ti sb e c a u s eo ft h ec h a n g e si nt h ed i r e c t i o no f r e s e a r c h ，p e o p l eb e g a nt or e s e a r c h t h eb i o m i m e t i cr o b o t s ，s ot h ef i r s tw a l k i n gr o b o tw a sb o r n a l t h o u g ht h ew a l k i n g r o b o th a sas t r o n ga d a p t a b i l i t ya n da b i l i t yt oh a v el a t e r a lm o v e m e n t ，b u ti t sr e l a t i v e l y l o ws t a b i l i t yo ft h ev e l o c i t ya n dt h em o v e m e n ta r et h ef a t a lf l a w s s ot h ep e o p l e s t a r t e dp a y i n ga t t e n t i o nt on a t u r em o v e m e n to fa n i m a l sw i t h o u tl i m b s ，b e c a u s ei th a s ag o o dg r o u n dc a m p a i g nm o d ea d a p t a b i l i t ya n ds t a b i l i t yo fm o t i o n , i m i t a t i o no f s n a k e 1 i k er o b o ti nt h i sc o n t e x tw a sb o r n t h i sd i s s e r t a t i o nt os t r e a m l i n et h es t r u c t u r e ，t or e d u c ew e i g h t ，i m p r o v ee f f i c i e n c y a n dr e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o no fs n a k e l i k er o b o t ，o nt h eb a s i so fe x i s t i n g m a n i p u l a t o ri nt h el a b o r a t o r ya n du n d e r a c t u a t e dt h e o r y ，d e s i g n e dan e w s t r u c t u r ef o r t h ef o r mo fs n a k e - l i k er o b o t a c c o r d i n gt ot h em o d u l a rd e s i g no ft h es n a k e l i k er o b o t t o c o m p l e t e t h es t r u c t u r a l d e s i g n ，a n d t h e c o r r e s p o n d i n gp a r t s o ft h e t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l o nt h eb a s i so ft h ef r i c t i o nd i s cm o v e m e n tt r a n s m i s s i o nm e c h a n i s mm o d e l ， c o m p l e t e dt h em o d u l eu n d e r a c t u a t e ds n a k e l i k er o b o tm o t i o nm o d e l i n g ，t h e nc a r r i e d o u tt op r o v et h e i rn o n i n t e g r i t ya n dc o n t r o l l a b i l i t y f r o mt w oa n g l e so fp o w e ra n d c o n t r o lt od e t e r m i n et h eu n d e r - a c t u a t e ds n a k e 1 i k er o b o tm o d u l ear e a s o n a b l en u m b e r o fj o i n t f i n a l l y , t h r o u g ht h e s i m u l a t i o na n a l y s i ss h o wt h ek i n e m a t i cm o d e lo f a c c u r a c ya n dc o n t r o l l a b i l i t y t h e nt oc a r r yo u tk i n e m a t i ca n a l y s i sf o ru n d e r a c t u a t e ds n a k er o b o t ，c o m b i n a t i o n o fp r o f e s s o rh i r o s e ss e r p e n o i dc u r v ew a sw i n d i n gi t sm o v e m e n tt r a j e c t o r yp l a n n i n g , a n dt h e nv e r i f i e db ys i m u l a t i o no ft h em o d e lc a nb ec o m p l e t e di na c c o r d a n c ew i t ht h e p l a n n e dt r a j e c t o r i e s s n a k ew i n d i n gf o r w a r dm o v e m e n t ，w h i c hs h o w st h a tt h i s i i t r a n s m i s s i o nm e c h a n i s mt ot h ef r i c t i o nd i s cm o v e m e n tb a s e do nt h en e ws t n l 曲h i ef o r s n a k e l i k er o b o tm a n i p u l a t o ri l l u s t r a t et h ed e s i g nt h e o r yc a nb eu s e df o rt h ed e s i g no f s n a k e 1 i k er o b o t f i n a l l yi na c c o r d a n c ew i t ht h ek a n ee q u a t i o nm o d e l i n gs t e p st oc o m p l e t et h e u n d e r - a c t u a t e ds n a k e - l i k er o b o ts y s t e md y n a m i c sm o d e l i n g ，t of o l l o wm o r e r e a s o n a b l ea n df e a s i b l ec o n t r o lt r a j e c t o r yf l a n n i n ga l g o r i t h mf o raf o u n d a t i o n k e yw o r d s ：u n d e r a c t u a t e d ，n o n h o l o n o m i c ，s n a k e l i k er o b o t ，t r a j e c t o r yp l a n n i n g 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：f 采矬拯) 日期：趁纽圣：兰z 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本 学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理 工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生c 签名，：庭丞湘导师c 签名，釉 日期加仉f ，印 i j 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 蛇形机器人的应用前景 蛇形机器人的良好地面适应能力和运动稳定性造就了它的广泛应用前景，它 可以充当清洗机器人，完成一些管道的清洗。当蛇形机器人技术成熟的时候可 以使用蛇形机器人代替人在一些危险场合进行作业，如在核设施中检测是否有 泄漏的危险品；当火灾发生时代替消防员进入最危险的地方进行灭火和人员的 搜救。当地震或飓风发生时，倒塌的建筑会把许多无辜的人们埋在其中，通过 专家的研究表明最黄金的搜救时间只有7 2 小时，但是由于到处是废墟，成堆的 石块、钢铁或其他材料会阻碍救援犬和携带生命探测仪的搜救者确定被困者的 位置。这个时候可以利用蛇形机器人在坍塌的建筑物中前行，利用自身携带的 生命探测仪对幸存者的进行快速定位，之后救援人员可以有目的的进行救援。 随着人们探索的领域的延伸，蛇形机器人也可应用到深海探险，火山的研究， 星际的探索当中u 吨。 最重要的是蛇形机器人有着极其重要的军事价值。在战争爆发的时候可以让 其携带摄像头和监听设备潜入敌方的据点进行侦查或者是携带炸药使其潜入敌 方的据点实施破坏活动；在一些地形复杂的场合可以把蛇形机器人作为战场的 运输工具，把炸药或侦察器送到不同的指定地点；在正面战场上可以利用其姿 态低，正面轮廓小的特点，使用蛇形机器人携带弹头像鱼雷一样攻击敌人；由 于蛇形机器人由多个关节组成，有利于进行模块化设计安装，可以很方便的拆 卸、组装，因此适合作为空降兵和特种部队的特殊装备口1 。 正因为蛇形机器人有着如此广泛的应用前景，所以对蛇形机器人的研究是非 常有必要的。 1 2 蛇形机器人的国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 早在上世纪六十年代一些学者就开始了对仿蛇机器人的研究，至今已有5 0 多年的历史。在此期间由日本的h i r o s e 教授在1 9 7 2 年完成了世界上第一台蛇 形机器人的研制工作，之后通过对生物蛇的蜿蜒前进的运动方式进行了大量观 武投理下大学硕士学位论文 察研究，提出了用s e r p e n o i d 曲线来模拟蛇蜿蜒前进的运动轨迹“1 ，并通过样机 验证了用s e r p e n o i d 曲线来控制蛇形机器人形状进行蜿蜒前进的可行性。之后 又开发了a c m 系列样机，其中a 伽一2 采用了差动驱动技术5 1 ，完成了蛇形机器 人二维运动到三维运动的过渡，在此基础上完成了 c m 一3 的研制工作，它几 乎能完成生物蛇的所有运动方式如：侧向运动、螺旋运动、蜿蜒运动、直线运 动等。a c m 系列的蛇形机器人最大的特点是采用较大的被动轮代替鳞片的作用。 如图卜l 所示： 图卜ia c m 蛇形机器人图卜2 气动蛇形机器人 挪威k r i s t i nyp e t t e r s e n 教授“1 咀及其团队开发出了以气动驱动为基础 的蛇形机器人如图卜2 所示，一共由六个相同的模块组成，每个模块由一个空 心圆柱和个气动盘组成，模块之间通过两自由度关节连接，该蛇形机器人不 仅可以完成平面运动，还能完成空f b j 的三维运动。_ s c h u m a n n o l s e n 教授和他 的同伴4 1 在自制a i k o 样机的基础上，对蛇形机器人进行自适应控制和避障算法 的研究，取得了重大的成果，在他们制定的自适应控制算法下a i k o 样机能够在 充满障碍物的地面上前进，能够自动规划相对最佳的行进轨迹。h i k o 样机在结 构上最大的特点是关节之间通过万向节进行连接。 a l e s s a n d r oc r e s p i 教授和它的团队”1 在瑞士国家自然基金的支持下开发 出了水陆两用蛇形机器人，浚蛇形机器人既能够在陆地上完成蛇的相关运动， 同时还能够在水中像水蛇一样在水中游动前进。如图卜3 所示t 该机器人全长 7 7 厘米，每个关节都由一个马力强劲的伺服电机控制，当其在陆地上行进时需 要为每关节装上被动轮，当在水中行进时需要拆下被动轮装上四个浆片。该 机最大的特点是在控制算法上采片j 了c i e 控制算法。 一渗 武汉理工大学硕士学位论文 u ，j ) ， 、 ，露鉴，謦晖：! 图卜3 水陆两用蛇形机器人图卜4 攀爬蛇形机器人 美国的a m i rs h a p i r o 教授和日本的t e t s u s h ik a m e g a w a 教授对蛇形机器 人的攀爬能力进行了大量研究，美国a m i rs h a p i r o 教授的工作更为出色，不仅 从理论上完成了蛇形机器人进行攀爬运动的建模，而且做出了实际的样机完成 了在狭窄空间里的攀爬运动，如图卜4 所示。 随着各国学者对蛇形机器人研究的深入，开始把蛇形机器人的研究重点转移 到它的环境适应能力上来。在这一方面美国的研究处于领先地位，由美国j a m e s cm c k e i m a 教授”主导研制的t s d 蛇形机器人，如图1 5 所示不仅可以完成蛇 的各种形式的基本运动，还能在8 秒内跨越小于3 0 厘米的沟壑；1 1 分钟内通过 1 5 米的被稠密树p l 。覆盖的地面；同时还能能轻松的通过垂直墙面上的洞穴；能 穿过网状的铁丝网；还能进行攀爬运动。t s d 之所以有如此强的适应能力是因 为它的移动不在是靠被动轮，而是用一种特制的材辩束模拟蛇应和鳞片的功能 使其完成各种运动。t s d 晟大的缺点在于所需要的能量非常大，控制系统复杂， 需要通过有线供电和上位机控制 上制约了其适应能力。 币因为是要通过有线功能，所以在一定程度 一 图1 5t s d 蛇形机器人 鼍n 武汉理工大学硕士学位论文 从控制角度来看，目前对于蛇形机器人进行控制的策略可以分为三类：l 、 基于正弦曲线的控制方法；2 、基于模型的控制方法；3 、基于c p g 的控制方法。 基于正弦曲线的控制方法是使用简单的正弦函数产生控制信号“引。这种做 法的优点是控制简单并且它的频率、振幅和波长这些重要的参数可以明确的界 定，能够做到精确控制。其缺点是对正弦函数的参数在线修改会导致不连续跳 跃的点出现，这将产生颠簸运动容易损坏电机和变速箱；另一个缺点是，采用 这种方法只能进行开环控制不能进行闭环控制。 基于模型的控制方法是指在建立系统运动学或动力学模型的基础上制定的 控制策略n 6 2 ，这种控制算法效率非常高。这种控制算法的缺点是一旦模型确定， 控制策略就相对固定，当系统出现偏差时不利于及时调整；当模型建立不准确 的时候，那么控制将会出现很大的偏差。 c p 6 ( c e n t r a lp a t t e r ng e n e r a t o r s ) 指的是中央模式发生器，基于c p g 的控 制方法能够轻松的对蛇形机器人进行闭环控制潞别，在系统出现误差时可以进行 及时的调整，能使得蛇形机器人在运动的过程中轻松的避开障碍物，选择最佳 的路径前进，非常适合于动态非线性系统。采用这种方法的最大的困难是如何 设计中央模式发生器来建立它的控制参数，因为它不像正弦函数那样有着明确 的频率、振幅等参数进行控制。 1 2 2 国内研究现状 国内在蛇形机器人的研究方面起步比较晚，直到1 9 9 9 年才由上海交通大学 的颜国正等人书目开发研制了我国第一台微小型蛇形机器人，该蛇形机器人的最 大特点在于其结构十分简单，仅仅通过若干刚性连杆串联而成，每个关节由步 进电机来控制，用滚动轴承来模拟鳞片各向异性的作用。在此样机的基础上运 用脊梁曲线建立了蛇形运动曲线，比较系统的讨论和模拟了蛇的基本运动方式。 中科院沈阳自动化研究所口2 嵋7 1 围绕8 6 3 计划项目“研制具有环境适应能力的 蛇形机器人 先后研制了多台样机，并展开了一系列的研究，其中基于可重构 思想研制的模块化蛇形机器人能够完成蜿蜒前进、后退、侧移、翻滚、攀爬、 越障等多个动作，具有很强的环境适应能力，为我国星球探测和灾难救援等领 域的应用提供技术支持。 在国家自然科学基金的资助下北京理工大学的朱建国等人心1 研制出了四周 履带的蛇形机器人，如图卜6 所示每个关节由8 条履带围绕来模拟鳞片的作用， 4 武汉理_ 大学硕士学位论文 该蛇形机器人不仅可以越过3 0 厘米离的垂直障碍，还可以在崎岖的路面上前进， 即使由于路面不平导致蛇形机器人发生翻转后同样可以前进。 幽1 6 凹蒯履带的蛇形目l 牿人 此外东北大学的赵丽娟”刊提出了采用形状引z 合金驱动蛇形机器人思想。 华中科技大学的李世其。1 教授提出了单马达驱动蛇形机器人的设计思想，并研 制出了样机。 综上所述可以看出对蛇形机器人的研究已经从二维空问的运动转到三维空 白j 运动的研究，从对蛇的运动机理的研究和运动方式的模仿转到如何提高蛇形 机器人的环境适应能力方向e 束，各国研制的样机也越柬越接近实用标准。 13 本文研究的主要内容及其目的和意义 到目前为止对于蛇形机器人的研究几乎全都是采用的全驱动结构形式，对于 采用这种结构形式蛇形机器人来说控制起来十分简单，因此对于早期模仿蛇的 运动形式的研究是非常有利的。随着人们研究的深入，采用全驱动结构形式的 蛇形机器人结构复杂，不利于蛇形机器人的实际应用。比如把蛇形机器人用于 救灾中，就需要在蛇形机器人上加装一些辅助设备，例如：生命探测仪、摄像 头等等。如果蛇形机器人本体的结构复杂再加上携带的辅助设备，就会增加蛇 形机器人的体积，使其显得笨重不够灵活，不利于蛇形机器人在复杂环境下运 动搜救。 因此为了解决这一问题，本文在实验室现有的欠驱动机械臂的基础上提出设 计一种欠驱动的蛇形机嚣人。所谓欠驱动机器人是指独立控制输入少于系统自 武汉理工大学硕+ 学位论文 由度的机器人，对于欠驱动蛇形机器人来说就是驱动器的个数少于其关节数。 采用欠驱动的结构形式在一定程度上能够更真实的模拟蛇的结构和运动。本文 研究的主要内容是： 1 、依据现有的非完整理论知识，在实验室现有的欠驱动机械臂的基础上， 设计出一种欠驱动结构的蛇形机器人。 2 、完成这种欠驱动机构的非完整性和可控性证明。 3 、完成欠驱动蛇形机器人的轨迹规划，仿真分析和动力学建模。 这里研究的难点问题是：在建立了欠驱动蛇形机器人三维模型和运动模型的 基础上如何使其能够完成蛇形运动。 本文的研究目的是：把欠驱动机械臂的设计理论和方法引入到蛇形机器人的 设计，并通过仿真分析来验证这种思路的可行性，简化蛇形机器人的结构，进 一步提高蛇形机器人的灵活性和适应性。 由于欠驱动的引入减少了驱动器数目，设计的蛇形机器人结构更加简单紧 凑，可以减轻重量，降低成本，在一定程度上可以降低能耗。这样容易实现无 线供能，可以进一步提高蛇形机器人的灵活性和适应性。这对蛇形机器人走出 实验室进行实际应用有着非常重要的意义。另一方面研究非完整系统的非完整 性和可控性的关系，对探索复杂机械的运动本质和开发可控的复杂机械系统具 有重要的理论意义。 1 4 本文的结构及其研究方法和路线 由上一节所确定的研究内容，本学位论文一共分为六章。第一章介绍蛇形机 器人的应用前景。对蛇形机器人的研究现状进行了综述，最后阐述本文的研究 目的和意义及其主要内容。 第二章是全文的基础，首先分析生物蛇的身体构造和运动方式和特点，之后 在实验室现有欠驱动机械臂的基础上，结合蛇形机器人的特点完成了欠驱动蛇 形机器人的方案设计和三维建模，为后续章节的研究打下了坚实的基础。 第三章主要是在第二章的基础上建立了摩擦盘传动机构的数学以及欠驱动 蛇形机器人单个模块的运动学模型，并且对其进行非完整性证明和可控性分析， 在此基础上从能量和控制上确定合理的单个模块的关节数目，最后通过仿真分 析验证欠驱动蛇形机器人的模块的可控性。 第四章主要是进行欠驱动蛇形机器人的整机的运动学分析，首先确定该款蛇 6 武汉理工大学硕士学位论文 形机器人的关节数目，由三个蛇形机器人单元模快六个关节构成，接着进行整 机运动学分析，然后在运动学分析的基础上对其进行运动轨迹规划，最后对其 蜿蜒运动进行仿真研究。 第五章首先对凯恩动力学方程法的相关知识进行了介绍，之后应用凯恩方法 对该欠驱动蛇形机器人进行动力学建模，为后续样机的制作和控制打下基础。 第六章是对整个研究工作的总结和展望。总结本文研究工作的成果，证明了 设计欠驱动机械臂的理论可以用于蛇形机器人的设计，针对存在的问题对继续 开展这项研究工作提出了展望。 本课题采用文献研究和案例分析的方法进行研究，通过对国内外蛇形机器人 研究现状的分析提出了欠驱动蛇形机器人的想法；通过对实验室现有的欠驱动 机械臂的结构分析，在此基础上设计出一种新的欠驱动蛇形机器人的机构，借 助欠驱动机械臂的相关分析理论对欠驱动蛇形机器人进行分析研究。 本课题采取的研究路线如下： 蛇形机器人总体 方案的设计和一 维建模 i 旧秒和轨h 算鬻黼舯啵 j l 1r 动力学分析和 a d m a s 仿真 图卜7 本文的研究路线 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章欠驱动蛇形机器人的设计 本文是基于生物蛇进行的一种仿生设计，在进行设计之前对生物蛇的真实构 造以及其运动特点做一个详细的了解和研究是十分必要的。因此本章将首先对 蛇的一些相关知识进行阐述。 2 1 生物蛇的构造和运动特点 2 1 1 生物蛇的构造 蛇是一种非常古老的爬行动物，它是由尾、躯干和头三部分组成。蛇是没有 四肢的，全身由鳞片包裹，头与躯干之间是颈部，一般来说如果不注意的观察 是查觉不到蛇有颈部，躯干和尾部中间是泄殖肛孔，一般十分明显。 对于一般的无毒蛇来说，它们最大的特点是其头部呈现圆锥状，吻端细而后 端粗；对于有毒蛇来说蛇头后部特别宽大，背面成三角形。如图2 - 1 所示蛇的 眼睛长在蛇头的两侧，没有眼睑，因此不能闭合。看上去蛇的视力很好，但事 实上它的视力十分微弱，只能看见非常近的物体。蛇的耳朵结构也十分简单， 只有内耳，所以听觉也十分迟钝。蛇的嘴上下可以张到1 3 0 。，蛇的嗅觉主要靠 口腔顶部的凹状助鼻器，蛇主要靠嗅觉进行捕食h 。 图2 - 1 蛇的头部构造图 蛇的骨骼由三部分组成：头骨、肋骨、脊骨。它的身体非常狭长并且十分柔 软。蛇的整个身体一般由彼此相连的2 0 0 - - 4 0 0 块脊骨组成。其脊骨形成球套关 节，并且常常带有突起，蛇的这种脊椎结构可以分解为图2 2 所示的机械结构。 一般的蛇只能在一定的范围内进行水平和垂直运动，水平运动角度一般为l o 。 武汉理工大学硕士学位论文 3 0 。，垂直运动角度一般为2 3 。，但是响尾蛇却是一个例外，因为它的脊骨 比普通蛇的脊骨大并且密度高，在特殊情况下它可以将自己蛇体的i 3 抬离地 面4 别。 图2 - 2 蛇的脊椎结构和分解机械结构图 2 1 2 蛇鳞片的作用及其运动的动力 通过人们对蛇的大量观察发现，蛇鳞片的侧面与体轴之间存在着一个夹角， 正因为这个夹角使得蛇在与地面产生相对运动时，沿着蛇体长度方向上的摩擦 力比垂直于蛇体长度方向的摩擦力要小得多。正因为如此蛇才能完成前进和转 弯运动，鳞片的这种作用与滑冰运动员的冰刀所起的作用类似，因此称它为“冰 刀效应 4 3 - 4 5 1 。 文献 4 6 的研究表明，蛇运动的动力是由椎骨、肋骨、腹鳞和肌肉共同作用 产生的。首先椎骨通过肌肉的作用进行左右转动并使得肋骨运动，然后通过肌 束的收缩，改变腹鳞与地面的接触面积和方向，给地面施加一个侧压力。根据 作用力与反作用力的原理，同样地面将给蛇一个反作用力，但是这个反作用力 不是蛇的直接动力。如图2 3 所示当蛇体在接触点a 点通过椎骨、肋骨、腹鳞 和肌肉共同作用施加侧压力e 于地面时，这时地面将对蛇体有一个反作用力 ，但是此时a 点的蛇体并不能运动。这个恰好等于a 点以后部分蛇体对前 面部分的拉力，从而可以通过肌肉和鳞片的作用把a b 部分拉弯曲，因此b 点以 后的部分可以前进一段距离。同理对于b 点地面施反作用力群于蛇体，此时b 点的蛇体同样不能运动，对于b 点之前的a b 段可以通过肌肉和鳞片的作用把a b 部分拉直，同时把b 点之后的部分拉弯。之后重复这一过程，这样就可以完成 蛇的运动。 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 3 蛇的运动特点和方式 对于生物蛇来说，它的运动具有如下特点：1 、在运动过程中能保持力学的 稳定状态，即在蛇的运动过程中始终能够保持平稳，正是因为这点人们进行仿 蛇机器人的研究才有意义；2 、能够在沼泽、沙漠等非常松软地面上进行运动； 3 、能够在坑洼不平的地面上行进，因此蛇具有十分强的地形适应能力；4 、能 通过洞穴和狭小并且弯曲的路面，还能进行爬坡、爬楼梯、越沟等，因此蛇具有 很强的越障能力u 7 i 。 蛇的这些运动特点是与它多种多样的运动形式是分不开的，蛇的运动方式非 常多，主要有以下四种：l 、侧向运动；2 、伸缩运动；3 、蜿蜒运动；4 、直线运 动。 侧向运动是蛇适应在沙地上前进的一种运动方式。如图2 - 4 所示对于生活在 沙漠中的蛇在行进的过程中，它前进的方向与蛇体的长度方向垂直，蛇体始终 保持两个部分与地面接触，其余的部分处于抬起状态，蛇的各个部位依次交替 的完成接地、抬起动作来最终完成蛇的前进运动。在运动完成一个周期后蛇会 在沙地上留下一条长度与蛇相当、相互平行的“丁 子形痕迹。蛇的这种运动 方式对在沙漠中生活的蛇有很大帮助，一方面能够避免躯体大面积与炎热的沙 地接触，从而有效的保护了蛇体不被灼伤；另一方面这种运动方式能获得最大的 运动加速度，有利于蛇进行捕食。 图2 - 4 蛇的侧向移动方式 1 0 之巴 武汉理工大学硕士学位论文 伸缩运动是一种非常适合蛇在光滑的地面或狭窄空间的环境下进行运动的 方式。如图2 - 5 所示这种运动方式有个特殊的要求，就是蛇在运动的过程中要 求地面与躯体间的动摩擦系数比其静摩擦系数要小，对于这个要求蛇可以通过 鳞片的作用来满足。这种运动方式一个很大的缺点是运动效率低，一般适合于 生活在山洞或溶洞中的蛇。 图2 5 蛇的伸缩运动方式 蜿蜒运动几乎是所有蛇类都可以进行的一种运动方式，其运动效率也最高。 如图2 - 6 所示这种蜿蜒运动有利于蛇在崎岖不平的荒野草丛中行动。蛇在做前 进运动时，其躯体进行横向波动，形成若干个波峰和波谷，日本h i r o s e 教授通过 对生物蛇这种运动方式进行大量观察研究后，提出了用s e r p e n o i d 蛇形运动曲 线。本文将以模拟蛇的这种运方式展开对欠驱动蛇形机器人的设计研究。 图2 6 蛇的蜿蜒运动方式 直线运动一般适合于躯体较粗的蟒蛇科的蛇类运动。如图2 - 7 所示这类蛇通 过肋骨与腹鳞间的肋皮肌不断的进行收缩运动，使它的腹鳞依次竖立支持在地 面上，最终使蛇完成直线向前的运动。这种运动方式的缺点是行动消耗较量大， 但是运动的路程最短，有利于蛇进行捕食。 图2 - 7 蛇的直线运动方式 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 欠驱动蛇形机器人方案设计 在对蛇形机器人进行设计时，一个基本的要求就是蛇形机器入应能够适应复 杂多变的环境，这一要求看似简单，但实际上需要考虑的问题很多，所以在对 其进行方案设计时有必要用鱼骨法对其进行分析设计。所谓鱼骨法就是特性要 因法，是工程上分析问题的常用办法。欠驱动蛇形机器人的鱼骨图如图2 - 8 所 示： 图2 - 8 欠驱动蛇形机器人的鱼骨图 从上面的鱼骨图可以清楚的看到，在功能上要求设计的结构要能够实现最基 本的前行运动。在设计时需要遵循结构简单、单元质量小、体积小等原则；主 要采用模块化和仿真的设计方法，应用当前比较流行的三维和仿真设计软件 p r o e 、a d m a s 2 0 0 5 、m a t l a b 7 1 进行设计；在材料选用上按照防腐、耐磨、价格 低、容易购买这四个方面进行选择。针对上面诸多因素找出最重要的因素进行 分析，通过分析得出最关键的因素是：设计的欠驱动蛇形机器人机构如何满足 功能要求，即：蜿蜒前行运动。因此如何合理的选择欠驱动结构就成为本课题 的难点。 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 1 欠驱动实现方式的选择 所谓欠驱动就是指系统中输入的驱动器数目少于系统的自由度，从实现方式 上可以分为两大类：第一类是由完全自由的被动关节来实现的系统的欠驱动； 第二类是由差动运动分解机构来实现的系统的欠驱动，这种形式的被动关节是 有驱动的，如：齿轮差动机构、摩擦盘差动机构。 l 、完全自由的被动关节实现的欠驱动 以两自由度的水平连杆机构为例来介绍这种欠驱动实现方式，如图2 - 9 所 示：其中第一个连杆有驱动，第二个连杆无直接驱动，关节接触处有摩擦力。 图2 9 两自由度的水平连杆机构简图 图中是连杆一的长度，。、乞。分别为连杆质心到连杆转动处的距离，关节 转角5 1 、口：为系统两个独立变量，t 为驱动力矩。该系统的动力学方程为n 8 。删： t ( 名+ 以：( + c , ( 5 2 ，5 。1 = 丁( 2 - 1 )田 i 】口门 以2 ( ) q + j 2 2 ( 哆) + g ( ，q ，5 2 ) = 0 其中： 第一个方程为驱动关节模型，第二个为被动关节模型 ，和j ：。有效惯量 以：和j 。耦合惯量 c l 和c ，科氏力 通过部分线性化得： 武汉理工大学硕士学位论文 其中： r 田 悟 田 口 口 ( 2 _ 2 ) 1 三：一( 1 + d c 。s ) 三。一d 芸：s i i l 岛一工忘 2 2 ) d ：咝生： ( m 2 2 。2 + 1 2 ) 疋欠驱动关节滑动摩擦系数 通过控制变量“使得连杆一即达到指定位置，然后通过的扰动使得 达到指定位置，对于这种形式的欠驱动实现方式结构简单，但是控制算法复杂， 容易出现操作空间中的动力学奇异和动力学耦合奇异，并且运动效率很低。 2 、齿轮差动机构实现的欠驱动 由齿轮差动机构实现的欠驱动结构原理如图2 1 0 所示：电机带动齿轮差动 机构来实现对关节一和关节二的驱动，这种形式的欠驱动由于采用了齿轮传动， 所以在其运动控制上简单方便，运动效率高。但是由于齿轮传动的传动比固定， 因此关节的运动位姿相对固定，所以在运动控制上缺乏灵活性。 。山 关节二 关节一 b 等 i | i i i i 图2 1 0 齿轮差动机构实现的欠驱动结构原理图 3 、摩擦盘差动机构实现的欠驱动 图2 一l l 摩擦盘差动机构实现的欠驱动结构原理图 武汉理工大学硕士学位论文 如图2 1l 所示，电机通过一对齿轮传动后，再通过摩擦盘差动机构带动各 个关节运动。这种欠驱动形式的特点是结构相对简单，容易控制，运动效率高， 摩擦盘之间的传动可以实现无级变速，所以这种形式的欠驱动运动灵活，适应 性强，容易实现生物蛇的基本运动。 综上所述，最终选用由摩擦盘差动机构实现的欠驱动作为欠驱动蛇形机器人 的基本单元。 2 2 2 蛇形机器人移动机构的选用 目前对蛇形机器人常用的移动方式有以下三种方式：被动轮驱动、履带式驱 动、鳞片式驱动。 轮式驱动的优点是：结构简单、能量利用率高、能高速稳定移动、控制简单 等。现有的蛇形机器人大多采用被动轮驱动方式，依靠轮子的滚动与滑动摩擦 间的差异，模拟蛇的鳞片的作用来驱动蛇形机器人前行。使用轮子的缺点是：不 能在坑洼的地面上运动，不能充分体现蛇形机器人的运动灵活和适应能力强的 优势。目前这种移动机构多用于实验室对蛇的运动机理的研究和蛇形运动的实 现的研究中。 履带式驱动的优点是：它的通过性非常好、爬坡和越障的能力十分强、牵引 附着能力强等。因此采用履带作为移动机构的蛇形机器人适应能力强，很容易 在倒塌的建筑屋内、矿山和洞穴中运动。履带式驱动的缺点也十分明显，它的 结构复杂、质量和惯性都非常大、零件十分容易被损坏。因此也不宜采用此履 带作为蛇形机器人的移动机构。 鳞片式驱动的优点是：驱动能力强、效率高、越障能力强。蛇在运动过程中 的摩擦各向异性是由于腹鳞在肌肉的驱动下进行收缩和舒张来使得蛇的躯体与 地面间的接触面积发生改变来实现的。如果用机械结构来直接模仿鳞片的功能 将会使得结构复杂，控制的实现也会很困难，如果采用特殊的材料( 如形状记 忆金属) 来模拟鳞片的功能，一方面成本高，另一方面能耗太大。 综上所述，结合本文的研究目的，最终将采用被动轮来作为欠驱动蛇形机器 人的移动机构。 2 2 3 蛇形机器人能源供给方式的选用 目前蛇形机器人的能源供给方式有两种选择：有线方式和无线方式，无线方 武汉理工大学硕士学位论文 式又有两种方案：一是携带蓄电池或则燃油发电机；二是无线能量传输。有线 方式能够保证能量的充分供给，但同时也严重制约了蛇形机器人运动的灵活性 和环境适应能力。目前在验证设计的蛇形机器人是否能够完成蛇的基本运动时 一般采用有线供能方式。 对于蓄电池这种无线方式在一定程度上能够提高蛇形机器人的灵活性和适 应能力，适合蛇形机器人进行现场试验，但是由于蓄电池体积和质量大、蓄电 能力有限不适合在实验室对蛇形机器人的仿生研究。如果采用燃油发电机这种 无线功能方式，虽然能够提供足够的动力，但是安装的燃油发电机设备会大大 增加蛇形机器人的质量。不仅如此还会使得蛇形机器人的结构变得复杂，在行 进过程中还会有噪声出现，因此这种结构也并不适合用来对蛇形机器人进行供 电。 无线能量传输技术指的是一种用非接触的方式传输能量的技术，到目前为止 人们进行研究的无线能量传输技术主要有以下四种：l 、磁场共振技术：这是一 种利用共振原理的能量传递方式，当两个物体在同一频率实现共振时，将实现 能量的无线传输。对于这种无线能量传输技术虽然能够获得相对较大的能量， 但是在能量传送的过程中容易受到周围的电场和磁场的干扰使得获得的能量不 够稳定；2 、辐射技术：这是一种通过某种独特的接收器接收空气中的辐射能量， 并将其转换成电能储存在电池中的技术，与人们对太阳能的利用十分类似，但 是使用这种方法所能获取的能量十分有限；3 、从环境中“收获”能源：将自然 界出现的热能、光能和振动能转换成所需的能量；4 、电感耦合技术：这种技术 的原理与我们通常意义上的变压器类似，通过相对直接的接触来进行能量传输， 就好像是把机器放在一个垫子上进行充电一样，这种方式虽然能够获得稳定且 相对较大的能量，但是传输的距离较近。综上所述，目前无线能量传输技术还 只能在很短的距离实现微小能量的传输。因此无线能量传输方式也不太适合在 实验室对蛇形机器人的仿生研究。 综上所述，结合本文的研究目的，最终将采用有线方式作为欠驱动蛇形机器 人的能源供给方式。 2 2 4 欠驱动蛇形机器人的整体方案 如图2 - 1 2 所示，整个欠驱动蛇形机器人由六个关节组成。关节一和关节二 由电机一驱动，关节三和关节四由电机二驱动，关节五和关节六由电机三驱动。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 根据图2 - 1 2 很容易得出该机构的自由度为6 ，而驱动器的数目是3 ，由欠驱动 的定义知该机构是欠驱动形式。如图2 1 3 所示每个蛇身由四个被动轮支撑，被 动轮的另一个作用是模拟蛇鳞片的功能使得蛇形机器人完成蛇形运动。 由2 1 2 节的分析知，当蛇的椎骨通过肌肉的作用进行左右转动时会给地面 施加一个侧压力，根据作用力与反作用力的原理，同样地面将给蛇一个反作用 力。这个反作用力可分解为沿蛇体方向的分力和垂直于蛇体方向的分力，这两 个力会使得后面的蛇形有向这两个方向的运动趋势，由于蛇在与地面产生相对 运动时，通过鳞片的特殊作用使得沿着蛇体长度方向上所受到的摩擦力比垂直 于蛇体长度方向的摩擦力要小得多，因此蛇就可以完成蛇形运动。在这一过程 中最关键的因素是沿着蛇体长度方向上所受到的摩擦力比垂直于蛇体长度方向 的摩擦力要小得多，对于蛇形机器人来说，就需要使用合适的移动机构来满足 这一要求。通过轮子做纯滚动时所受的摩擦力比其进行侧向滑动的摩擦力小得 多这一原理，因此可以采用被动轮这种结构形式来满足上述要求，如图2 - 1 3 所 示。 静关节二艇糊黼撒 i l j l 叩 电机一#一机k i 电l | i 三k l 一 一 i 辛 _ 1i 。 了。 。l r 忑i h、丁 2 - 1 2 欠驱动蛇形机器入主视原理图 1 i r 1 i r 夏夏 。1 l r 夏 1 l _ 夏i hj l夏i hl夏 1 i r 1 l r t la t 一l i 山h- 2 - 13 欠驱动蛇形机器人俯视原理图 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 欠驱动蛇形机器人三维模型的建立 2 3 1 建模与仿真软件简介 众所周知“工欲善其事、必先利其器 ，合适的工具能使我们干起活来事半 功倍。同样在做设计研究时，一个好的建模与仿真软件也会让我们在设计时得 心应手，因此在设计之前应该选择适合的设计软件。 目前三维设计软件很多，在众多的软件中p r o e n g i n e e r 是非常优秀的软件。 它集c a d c a m c a e 与一身，自从1 9 8 9 年以产品的形式推出之后，对机械设计制 造行业产生了巨大的影响，流行于全世界许多的国家。在国内当然也不例外， 在我国被广泛用于机械、电子、军工、汽车、航空、航天、家电和玩具等行业 中，该软件的最大特点是集多个机械设计制造模块于一身，功能十分强大。主 要由六大模块组成：工业设计模块( c a i d ) 、机械设计模块( c a d ) 、功能仿真模块 ( c a e ) 、制造模块( c a m ) 、数据管理模块( p d m ) 、数据交换模块( g e o m e t r y t r a n s l a t o