一种可重构蛇形机器人的研究

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1、一种可重构蛇形机器人的研究———陈丽王越超马书根等文章编号：!""#$!%&!（&""%）!’$!%(!$"%一种可重构蛇形机器人的研究陈丽王越超马书根李斌摘要：提出了一种新型的可重构蛇形机器人机构。该机构主要特点是单关节结构模块化，具有可适应地面形状变化的柔性连接环节和类似于蛇腹鳞摩擦特性的机构底部，手动可重构，当单自由度关节轴线互相平行连接时，该机构可实现多种平面运动形式，当单自由度关节轴线垂直依次连接时，形成的蛇形机器人具有两自由度的关节，可进行多种空间运动。试验结果证实，该蛇形机构重量轻、控制简单、运动灵活，能够很好地仿生蛇的多种

2、运动形陈丽博士研究生式。关键词：可重构；蛇形机器人；平面运动；空间运动中图分类号：)*&#文献标识码：+蛇形机器人已出现了多种结构形式，并实现万向节式、连杆式、多脊骨相连式、轴线斜交球铰了多种运动模式［!］。按照结构形式的不同，蛇形等［(］，但是它们制造复杂、控制困难。本文基于可机器人可以分为两类，第!类是由带有轮子的模重构思想，提出了一种两自由度新型蛇形机器人块串连而成，运动直接由轮子驱动或蛇体内的行关节，该关节由两个单自由度关节组合而成。波传播产生，目前此类蛇形机器人的代表机构有单自由度关节可以看作为一个最小模块化结主动索状机构（+.

3、/）［&］和变几何桁架结构［%］。第构，每一模块均由一个直流伺服电机驱动，其结构&类是由刚性杆组成的链状结构，运动由关节之简单、容易控制、运动灵活。单自由度关节见图间的扭转作用产生。目前此类蛇形机器人的代表!，主要由固定板、智能控制单元、活动板、仿蛇皮机构有柔性关节单元蛇形机构及二自由度模块组底面、连接板组成。固定板、活动板、连接板材料成的蛇形机器人机构［#，(］。为铝合金。智能控制单元由一个控制板和一个直模块可重构机器人由许多模块组成，这些模流伺服电机组成，整个单元安装在固定板上，活动块能以多种方式断开或连接，形成具有不同功能板与下一模

4、块的连接板相连接，因此电机的输出的新系统。它有三个显著特点，即通用性、鲁棒性由活动板传递给下一单元，电机摆动幅度为1"2。和经济性。蛇形机器人具有模块化结构特点，因整个单自由度关节长度为,"33，宽度为%%33，此可重构蛇机器人的研究，极大地扩宽了蛇形机高度为((33，重量约!""4。器人的应用领域。!0"摩擦底面设计!可重构蛇形机器人的机构设计自然界中的蛇借助于腹鳞与地面的作用力向!0!关节设计前运动，腹鳞的主要特性在于蛇运动时，其法向摩擦系数远远大于切向摩擦系数，防止运动时躯干侧向滑动，提高了蛇运动的效率。目前，大多数蛇形机器人借助轮

5、子与地面接触，利用其滚动和滑动摩擦系数的差别来改变运动时法向和切向摩擦系数比。但是，轮子无法适应复杂多变的运动环境，大大限制了蛇形机器人的作业能力。因此，无图!单关节模块示意图轮的蛇形机器人更符合仿生原理，其关键是选择蛇形机器人要实现空间运动，其关节至少应一种特殊材料作为机构的皮肤来实现蛇的鳞片功能［#］，或从机构角度进行设计和处理，实现机构体具有两个自由度，通常采用特制的关节结构，例如与地面的摩擦系数特性。基于以上的思想，本样收稿日期：&""&—",—"&机在机构的底面刻有一定规律的条纹，来增加法基金项目：国家-’%高技术研究发展计划资

6、助项目向和切向摩擦系数比。（&""!++#&&%’"）!0#柔性连接单元设计万方数据·!%(!·中国机械工程第*8卷第*,期#//@年.月下半月蛇形机器人在凸凹不平的地面上运动时，为根据蛇形机器人结构和运动特点，平面运动了实现运动的稳定性可以采用一个柔性环节。的蛇形机器人可以简化为平面连杆模型［#（见图］［#］对$%&’()［*］的弹性装置作了进一步改进。但#）。蛇形机器人在()*平面上运动，相邻关节之!"以上装置只解决了机器人对纵向凸凹状况的适应性，没有解决机器人可能出现的横向倾斜问题。为此，本文设计了一种新型弹性装置，水平连接在两个模

7、块之间，较好地解决了以上问题。!+"可重构设计模块可重构系统有多种形式。按构成模块的种类可以分为同构型和异构型，同构型是指系统由同一类模块组成，异构型是指系统由不同的模图#蛇形机器人平面运动学模型块组成。按模块的组织形式可分为点阵式和非点间的相对转角!（+"）为表征运动形状的关节变阵式，点阵式机器人通常由同种模块构成，它需要量，可由式（*）积分得为运动而构型，即系统的重心随着系统构型的改",-"（+"）#!（!.）<.#［,］"变而作相应的变化。非点阵式机器人可以边运［-］(%;%&!(%;（#%&!",#%&!+）,%-（#）动边构型，

8、或把可重构和运动阶段分开。按可$#!/&’&*重构的对接方式又可分为手动可重构和自动可重式中，+为任意一个关节；-为每一模块的长度；%*为曲率构。对接是可重构机器人的一个关键动作，它是偏差。指