蛇形机器人研究现况与进展

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1、第24卷第6期机器人ROBOTVo1.249No.62002年11月Nov.92002文章编号:1002-0446(2002)06-0559-05蛇形机器人研究现况与进展陈丽192王越超1李斌1(1.中国科学院沈阳自动化研究所机器人学重点实验室沈阳110016;2-中国科学院研究生院北京)摘要:仿生技术与机器人技术的结合9使机器人从结构设计到运动模式的选择都有了新的进展9这大大扩大了机器人的应用领域.本文阐述了仿蛇形机器人的应用背景和研究现状9并展望了其未来的发展.关键词:蛇形机器人;运动模式;模块化结构;可重构中图分类号:

2、TP24文献标识码:BPRESENTSTATEANDFUTUREDIRECTIONTOWARDSSNAKE-ROOTRESEARCHC~ENLiWANGYue-chaoLIBin(1.RoboticsLaboTatoTy9shenyanglnstit/teofA/tomation9ChineseAcacemyofsciencesshenyang110016;2.PostgTac/ateschooofChineseAcacemyofsciencesBeijing)AbStract:Withthemarriageofbiomim

3、eticSandroboticS9therehaSbeenaneWrevo1utioninStructuredeSignandSe1ectionofroboticgaitS.Iten1argeSthefie1dofroboticapp1ication.InthiSpaper9thepreSentreSearchStateandapp1icab1econtextconcerningSnake-robotiSrevieWed9andthetrendinthiSfie1diSa1SoforeSeen.KeywordS:Snake-

4、robot9gaitS9modu1arStructure9Se1f-reconfigurab1e1引言(Introduction)力.其缺点是运动的速度和稳定性降低.自然界中无四肢动物的运动方式引起了学者的兴趣9因为这种当代机器人的研究领域已经从结构环境下的定运动具有良好的地面适应性和运动稳定性.蛇是无点作业中走出来9向航空航天~星际探索~军事侦察四肢动物中最庞大的一类9它在自然界中有几千年攻击~水下地下管道~疾病检查治疗~抢险救灾等非的进化历史9种类繁多9分布广泛9它能进行多种运结构环境下的自主作业方面发展.未来的机器人将

5、动以适应不同的生活环境(沙漠~水池~陆地~树林在人类不能或难以达到的已知或未知的环境里工等).仿蛇形机器人就在这种背景下诞生了.作.传统的设计方法已经不能满足机器人在非结构化的~未知的环境下作业的要求9要解决的主要问题2蛇形机器人的运动模式和结构特点(The之一是运动方式的实现.传统的移动机构大多基于glidingmodeSandStructureofSnake-连续转动原理9靠轮子或履带与地面作用实现运动.robot)轮子的应用具有悠久的历史9但轮子在凸凹不平的2.1蛇形机器人的运动模式分类地面上运动时9就失去运动的稳定性

6、.从轮子到履带实验表明9蛇靠身体的变形与地面作用产生驱的改进增强了移动机构适应地面的能力9但它还不动力.蛇的典型运动方式为图1:(a)侧摆和起伏(1at-能充分实现运动的灵活性.这就促进了人们以一种era1undu1ation):借助体侧面接触凸凹不平的地面所新的原则9寻找灵活运动模式的愿望.随着仿生学的产生的力前进9身体各部分都有相似的运动轨迹.这发展9人们把目光对准了生物界.步行机器人的诞种运动的特点为:效率高~需要的空间大~不适于在生9探索新的运动模式有了进展.步行运动方式有较光滑表面运动~不适于体态庞大的蛇类运动;(

7、b)直强的地面适应能力9并增强了机器人的横向运动能线运动(recti1inear1ocomotion):靠腹部和地面的摩基金项目:863计划项目:(2001AA422360).收稿日期:2002-01-30560机器人2002年11月擦力进行驱动部分点与点之间有相对运动.其运动动.其运动的特点为,效率相对高~适于柔软地面~不的特点为,适于笨重的蛇类运动~运动效率高;(c)适于狭小空间.它在沙地环境中运行时滑动摩擦阻伸缩运动(concertinamotion),身体收缩成S形前力小因而运动效率高是一种很好的适应沙漠环境部前伸后

8、部收缩循环向前运动.其运动的特点为,的运动形式.蛇的其他运动形式有,跳跃~绕身体脊可以在狭小空间运动~运动效率低;(d)侧向移动椎的回转~利用障碍物推动身体运动~蠕虫运动~滑(sidewinding),从头部开始身体部分顺次接地~抬行冲击等.起完成前进运动借助腹部与地面之间的摩擦力移图1蛇