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蛇行运动仿生设计在交通运输领域应用 课程名称： 仿生学 专业班级： 10级生物科学01班 学生姓名： 马步益 关于蛇行运动仿生设计在交通运输领域应用的研究 蛇是一种无肢体的动物,依靠细长身体的蜿蜒推动快速运动.蛇是脊椎动物,它的脊椎大约有200~400块脊骨,蛇的脊骨形成球套关节,并带有突起,这样防止了躯体扭动,保护了脊索.该结构由一系列表面形成,产生有限范围的水平和垂直运动,对于大多数蛇而言,水平运动范围为10~20b,垂直运动范围为2~3b.蛇是定长的,它只有3种骨骼:头骨、脊骨、肋骨.蛇骨骼结构是简单的重复性结构,并限制相邻脊椎关节的相对运动。 一 蛇形仿生机器人 蛇形机器人的研究开创了一个新的仿生机器人研究领域。自20世纪70年代日本的第一条蛇形机器人问世,各国的许多研究人员开始了该类机器人的研究,提出大量的相关理论[l明,制作了多台样机。近几年,我国科技工作者也开始研究蛇形机器人。根据蛇的运动原理制作的蛇形机器人,可以克服轮式机器人和腿式机器人的缺点,能够在多种环境中运动。 例如:在草地中爬行,在水中游泳,在凸凹不平的地面运动,在沼泽中前进;作为操作臂完成各种危险作业,进入狭小空间完成修补和抢救工作。而且蛇形机器人机构简单,模块化设计能够实现可重构。另外,蛇形机器人的节律运动为其控制提供了有利条件。沈阳自动化所已制作出两代蛇形机器人功能样机,在设计和试验中积累了很多宝贵经验。首先介绍蛇形机器人结构,包括机械结构和控制结构。然后,说明蛇形曲线,并在此基础上,提出有关蛇形机器人转弯的幅值调整法和相位调整法,同时提出了侧移运动的相关规划。 l.蛇形机器人结构 沈阳自动化所的蛇形机器人在机构上采用模块化设计(如图1所示),每个模块具有自由度,多个模块按一定方式连接可以组装成三维蛇形机器人(如图2所示)。在控制上,选用CAN总线的控制方式实现一点对多点的控制,满足实时控制的需要(如图3所示)。每个模块都装有一片嵌入式16位单片机,各个单片机独立处理关节的运动信息和传感信息,为机器人的分布式控制提供有利条件。蛇形机器人头部安装有GPS定位系统、无线通信系统和摄像头,向主控计算机提供位置信息、通信和图像信息。蛇形机器人尾部安装有电池,为蛇形机器人运动提供动力。 2蛇形机器人运动曲线 自然界中蛇的运动形式可大致分为四种:1蜿蜒运动:是最常见也是运动效率最高的运动形式。蜿蜒运动时,蛇依靠与地面的切向摩擦力和法向摩擦力的差推动自身运动,需要身体的肌肉产生较大力矩和保持收缩与伸展的连续性。o直线运动:类似于蛆叫的收缩运动方式,是蛇在捕食过程中采用的运动方式。?收缩运动:是蛇在比较光滑平面或狭小空间下采用的一种运动方式。侧向运动:更确切地说应该叫做斜侧运动,是沙漠中响尾蛇的一种运动方式,在向前运动的同时产生侧向运动。 就蜿蜒运动而言,日本的Hirose教授最早提出了蛇形曲线,该曲线是在对生物蛇进行大量的运动观测后提出的。通过在蛇形机器人上的试验,证明采用蛇形曲线的机器人运动效率高、波形连续。马书根教授从肌肉的力学分析角度证明了此种曲线,并从动力学角度分析了采用蛇形曲线的蛇形机器人的运动转弯方法的提出。 许多学者对蛇形机器人运动曲线作了大量研究,但涉及到如何使蛇形机器人转弯及控制转弯半径的研究尚少。蛇形机器人在运动过程中,由于滑动的原因必然产生偏离原路径的运动,或者由于运动的需要而执行某种偏转运动。因此,提出调整蛇形机器人运动方位的方法是非常必要的。一般可将偏离运动分为三种:方向偏离,侧移和两者的结合。在分析蛇形曲线的基础上,提出幅值调整法和相位调整法两种新的转弯方法,并在下一部分提出一种简单的侧移方法。通过这些方法可以实现蛇形机器人的方位调整。 4.蛇形机器人的发展现状(The presentstate of snake-robot research) 自从日本东京大学的Hirose教授1972年研制了第一台蛇形机器人样机（图2）,至今蛇形机器人已成为仿生机器人研究对象中很活跃的一支.美国Chrikjian and Burdick首先从超冗余度机器人角度开始对蛇形机器人的机构和运动理论进行一些研究.并提出变几何桁架结构作为蛇的基本模块形式. 日本Ibaraki大学的马书根研制了周围有轮子保护的ACM-R3,该机构结构简单,并可以实现直接单元驱动、侧面滚动、螺旋运动、S曲线等各种运动形式.NEC公司的Takanash开发研制一种由刚性体关节相连的蛇形机器人机构,它能够实现三维空间运动,应用在危险情况下探查和营救工作.但由于长的刚性体单元,