硕士学位论文 仿生蛇的设计及其运动仿真 THE DESIGN AND MOTION SIMULATION OF BIONIC SNAKE 崔春 哈尔滨工业大学 2009年6月
硕士学位论文 仿生蛇的设计及其运动仿真 THE DESIGN AND MOTION SIMULATION OF BIONIC SNAKE 崔春 哈尔滨工业大学 2009 年 6 月
国内图书分类号：TP242 学校代码：10213 国际图书分类号：621 密级：公开 硕士学位论文 仿生蛇的设计及其运动仿真 硕士研究生： 崔春 导 师： 卢泽生教授 申请学位：工学硕士（应用研究型） 学科、专业： 机械制造及其自动化 所在单位： 机电工程学院 答辩日期：2009年6月 授予学位单位：哈尔滨工业大学
国内图书分类号：TP242 学校代码：10213 国际图书分类号：621 密级：公开 硕士学位论文 仿生蛇的设计及其运动仿真 硕 士 研 究 生： 崔春 导 师： 卢泽生教授 申 请 学 位： 工学硕士（应用研究型） 学 科 、 专 业： 机械制造及其自动化 所 在 单 位： 机电工程学院 答 辩 日 期： 2009 年 6 月 授予学位单位： 哈尔滨工业大学
Classified Index:TP242 U.D.C.:621 Dissertation for the Master Degree in Engineering THE DESIGN AND MOTION SIMULATION OF BIONIC SNAKE Candidate: Cui Chun Supervisor: Prof.Lu Zesheng Academic Degree Applied for: Master of Engineering Specialty: Mechanical Manufacturing and Automation Affiliation: School of Mechatronics Engineering Date of Defence: June,2009 Degree-Conferring- Harbin Institute of Technology Institution:
Classified Index：TP242 U.D.C.: 621 Dissertation for the Master Degree in Engineering THE DESIGN AND MOTION SIMULATION OF BIONIC SNAKE Candidate： Cui Chun Supervisor： Prof. Lu Zesheng Academic Degree Applied for： Master of Engineering Specialty： Mechanical Manufacturing and Automation Affiliation： School of Mechatronics Engineering Date of Defence： June, 2009 Degree-ConferringInstitution： Harbin Institute of Technology
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘 要 仿生学是生物科学与工程技术相结合的一门综合学科，通过学习、模 仿、复制和再造生物系统的结构、功能、工作原理及控制机制，来改进现有 的或创造新的机械和仪器系统等，仿生学已经延伸到很多领域并取得了丰富 的成果。本文主要对仿生蛇进行了研究。 文中首先对自然界生物蛇的身体结构和运动形式进行了分析，介绍了蛇 类的骨架结构和鳞片功能，并对蛇类常见的四种运动形式进行了分析。 根据生物蛇骨架抽象出的模型设计出了一种正交的仿生蛇关节结构，在 该结构中，电机分别固定在相邻的关节上，通过电机轴旋转使相邻关节相对 转动。由于采用正交结构，该仿生蛇可以实现生物蛇常见的蜿蜓运动、蠕 动、侧向运动、抬头运动，并可以实现生物蛇难以实现的翻滚运动。对仿生 蛇的头部关节进行了设计，设计了一种可以实现夹紧功能的头部关节结构。 对仿生蛇的蜿蜒运动、蠕动、翻滚运动、侧向运动做了运动规划，得出 了实现相关运动形式所需的关节角度时间函数；对抬头运动进行了规划，通 过力矩计算得出了一种所需力矩较小的拾头方式；建立了仿生蛇的一种带有 PC机和无线传输的支持普通串行通信的单片机分层控制系统，并对控制系 统的各个层面进行了分析。 运用ADAMS仿真软件对仿生蛇的上述五种运动形式进行了运动学和 动力学仿真。经过运动学仿真，验证了各种运动规划的合理性，得出了仿真 动画和蛇体的运动轨迹：通过动力学仿真，得出了实现相关运动时关节所需 的最大力矩，验证了电机是可以实现仿生蛇的相关运动形式的。 关键词：仿生蛇：结构设计；运动规划：控制系统；运动仿真 -I-
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - I - 摘 要 仿生学是生物科学与工程技术相结合的一门综合学科，通过学习、模 仿、复制和再造生物系统的结构、功能、工作原理及控制机制，来改进现有 的或创造新的机械和仪器系统等，仿生学已经延伸到很多领域并取得了丰富 的成果。本文主要对仿生蛇进行了研究。 文中首先对自然界生物蛇的身体结构和运动形式进行了分析，介绍了蛇 类的骨架结构和鳞片功能，并对蛇类常见的四种运动形式进行了分析。 根据生物蛇骨架抽象出的模型设计出了一种正交的仿生蛇关节结构，在 该结构中，电机分别固定在相邻的关节上，通过电机轴旋转使相邻关节相对 转动。由于采用正交结构，该仿生蛇可以实现生物蛇常见的蜿蜒运动、蠕 动、侧向运动、抬头运动，并可以实现生物蛇难以实现的翻滚运动。对仿生 蛇的头部关节进行了设计，设计了一种可以实现夹紧功能的头部关节结构。 对仿生蛇的蜿蜒运动、蠕动、翻滚运动、侧向运动做了运动规划，得出 了实现相关运动形式所需的关节角度时间函数；对抬头运动进行了规划，通 过力矩计算得出了一种所需力矩较小的抬头方式；建立了仿生蛇的一种带有 PC 机和无线传输的支持普通串行通信的单片机分层控制系统，并对控制系 统的各个层面进行了分析。 运用 ADAMS 仿真软件对仿生蛇的上述五种运动形式进行了运动学和 动力学仿真。经过运动学仿真，验证了各种运动规划的合理性，得出了仿真 动画和蛇体的运动轨迹；通过动力学仿真，得出了实现相关运动时关节所需 的最大力矩，验证了电机是可以实现仿生蛇的相关运动形式的。 关键词：仿生蛇；结构设计；运动规划；控制系统；运动仿真
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 Abstract Bionics is a comprehensive discipline that combined with biological science and engineering technology,through learning,imitating,reproducing and recycling biological systems'structure,function,principle and control mechanism,bionics aims to improve and create new systems of machine and equipment.Bionics has extended to many fields and achieved a lot of useful results.This thesis mainly works on the bionic's snake. In the beginning,this thesis analyses the structure and the forms of the movements of natural snakes,introduces snakes'skeleton structure,the function of skins and four moving forms of snakes. According to the abstract framework of biological snakes'skeleton structure, a kind of orthogonal bionic snake structure is designed.In this structure,motor drives the adjacent joints to rotate,which is fastened on the one joint.Because of the orthogonal structure,this bionic snake can imitate snakes'movements,such as winding movement,peristalsis,lateral movement and head-rising movement. Further more,this snake-like robot can imitate rolling movement that natural snakes can not achieve.A structure of snake's head is also designed in this paper, head clamping action can be achieved in this structure. This thesis programs the winding movement,peristalsis,lateral movement, head-rising movement and rolling movement,finally gets the function of joint's angle.A PC-Wireless-UART-Master MCU-Slave MCU control system is designed in this paper,and all the facets of the control system are analyzed. Using ADAMS to do the kinematics and dynamics simulation of the forms of the bionic snake's movements.Kinematics simulation is mainly used to verify the reasonability of the programming and gain the imitating movie.Dynamics simulation is used to get the maximum torque of the joints,so as to verify whether the motor is contented. Keywords:bionic snake,configuration design,control system,movement programming,locomotion simulation
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - II - Abstract Bionics is a comprehensive discipline that combined with biological science and engineering technology ， through learning, imitating, reproducing and recycling biological systems’ structure, function, principle and control mechanism, bionics aims to improve and create new systems of machine and equipment. Bionics has extended to many fields and achieved a lot of useful results. This thesis mainly works on the bionic’s snake. In the beginning, this thesis analyses the structure and the forms of the movements of natural snakes, introduces snakes’ skeleton structure, the function of skins and four moving forms of snakes. According to the abstract framework of biological snakes’ skeleton structure, a kind of orthogonal bionic snake structure is designed. In this structure, motor drives the adjacent joints to rotate, which is fastened on the one joint. Because of the orthogonal structure, this bionic snake can imitate snakes’ movements, such as winding movement, peristalsis, lateral movement and head-rising movement. Further more, this snake-like robot can imitate rolling movement that natural snakes can not achieve. A structure of snake’s head is also designed in this paper, head clamping action can be achieved in this structure. This thesis programs the winding movement, peristalsis, lateral movement, head-rising movement and rolling movement, finally gets the function of joint's angle. A PC-Wireless-UART-Master MCU-Slave MCU control system is designed in this paper, and all the facets of the control system are analyzed. Using ADAMS to do the kinematics and dynamics simulation of the forms of the bionic snake’s movements. Kinematics simulation is mainly used to verify the reasonability of the programming and gain the imitating movie. Dynamics simulation is used to get the maximum torque of the joints, so as to verify whether the motor is contented. Keywords: bionic snake, configuration design, control system, movement programming, locomotion simulation
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 目 录 摘要 Abstract. 第1章绪论 1.1课题背景及研究的目的和意义 1.2国内外研究现状 1.2.1国外研究现状 .1 1.2.2国内研究现状 4 1.3本课题的主要研究内容 第2章仿生蛇的结构设计 7 2.1蛇的身体结构及运动形式分析 7 2.1.1蛇的身体结构分析… .7 2.1.2蛇的运动形式分析 P 2.2生物蛇骨架模型的抽象 10 2.3驱动方案的选择和比较 10 2.4仿生蛇的总体设计… 11 2.4.1身体关节结构设计 11 2.4.2摩擦底面的设计 11 2.4.3头部关节的设计.… 12 2.4.4仿生蛇的组装… 。。。。 12 2.4.5仿生蛇的相关性能参数 14 2.5本章小结… 15 第3章仿生蛇的运动规划及控制系统 .16 3.1仿生蛇的运动规划 … .16 3.1.1蜿蜒运动的步态规划 16 3.1.2蠕动的运动规划 19 3.1.3翻滚运动的步态规划 。。+。。。 20 3.1.4侧向运动的步态规划 21 3.1.5抬头运动的步态规划 21 3.2仿生蛇的控制系统 22 3.2.1控制系统的总体结构 23 3.2.2控制系统的各个层面 23 3.3本章小结… 26 -I-
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - III - 目 录 摘要 ................................................................................................................................. I Abstract...........................................................................................................................II 第 1 章 绪 论 .................................................................................................................1 1.1 课题背景及研究的目的和意义 ..........................................................................1 1.2 国内外研究现状 ..................................................................................................1 1.2.1 国外研究现状 .............................................................................................. 1 1.2.2 国内研究现状 .............................................................................................. 4 1.3 本课题的主要研究内容 ......................................................................................5 第 2 章 仿生蛇的结构设计 ...........................................................................................7 2.1 蛇的身体结构及运动形式分析 ..........................................................................7 2.1.1 蛇的身体结构分析 ...................................................................................... 7 2.1.2 蛇的运动形式分析 ...................................................................................... 8 2.2 生物蛇骨架模型的抽象 ....................................................................................10 2.3 驱动方案的选择和比较 ....................................................................................10 2.4 仿生蛇的总体设计 ............................................................................................11 2.4.1 身体关节结构设计 .....................................................................................11 2.4.2 摩擦底面的设计 .........................................................................................11 2.4.3 头部关节的设计 ........................................................................................ 12 2.4.4 仿生蛇的组装 ............................................................................................ 12 2.4.5 仿生蛇的相关性能参数 ............................................................................ 14 2.5 本章小结 ............................................................................................................15 第 3 章 仿生蛇的运动规划及控制系统 .....................................................................16 3.1 仿生蛇的运动规划 ............................................................................................16 3.1.1 蜿蜒运动的步态规划 ................................................................................ 16 3.1.2 蠕动的运动规划 ........................................................................................ 19 3.1.3 翻滚运动的步态规划 ................................................................................ 20 3.1.4 侧向运动的步态规划 ................................................................................ 21 3.1.5 抬头运动的步态规划 ................................................................................ 21 3.2 仿生蛇的控制系统 ............................................................................................22 3.2.1 控制系统的总体结构 ................................................................................ 23 3.2.2 控制系统的各个层面 ................................................................................ 23 3.3 本章小结 ............................................................................................................26
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第4章仿生蛇的运动仿真研究 27 4.1蜿蜒运动的仿真研究 27 4.1.1蜿蜒运动的运动学仿真与分析 27 4.1.2蜿蜒运动的动力学仿真与分析 32 4.2蠕动的仿真研究 .32 4.2.1蠕动的运动学仿真与分析… 32 4.2.2蠕动的动力学仿真与分析 33 4.3翻滚运动的仿真研究… .34 4.3.1翻滚运动的运动学仿真与分析 34 4.3.2翻滚运动的动力学仿真与分析 36 4.4侧向运动的仿真研究 .37 4.4.1侧向运动的运动学仿真与分析 37 4.4.2侧向运动的动力学仿真与分析 38 4.5抬头运动的仿真研究 39 4.5.1规划前后仿生蛇拾头运动所需最大力矩的比较 39 4.5.2抬起部分旋转的仿真分析 40 4.6本章小结 41 结论 42 参考文献 44 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明 .47 哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书 47 致谢.… 48 -V
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - IV - 第 4 章 仿生蛇的运动仿真研究 .................................................................................27 4.1 蜿蜒运动的仿真研究 ........................................................................................27 4.1.1 蜿蜒运动的运动学仿真与分析 ................................................................ 27 4.1.2 蜿蜒运动的动力学仿真与分析 ................................................................ 32 4.2 蠕动的仿真研究 ................................................................................................32 4.2.1 蠕动的运动学仿真与分析 ........................................................................ 32 4.2.2 蠕动的动力学仿真与分析 ........................................................................ 33 4.3 翻滚运动的仿真研究 ........................................................................................34 4.3.1 翻滚运动的运动学仿真与分析 ................................................................ 34 4.3.2 翻滚运动的动力学仿真与分析 ................................................................ 36 4.4 侧向运动的仿真研究 ........................................................................................37 4.4.1 侧向运动的运动学仿真与分析 ................................................................ 37 4.4.2 侧向运动的动力学仿真与分析 ................................................................ 38 4.5 抬头运动的仿真研究 ........................................................................................39 4.5.1 规划前后仿生蛇抬头运动所需最大力矩的比较 .................................... 39 4.5.2 抬起部分旋转的仿真分析 ........................................................................ 40 4.6 本章小结 ............................................................................................................41 结论 ...............................................................................................................................42 参考文献 .......................................................................................................................44 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明 ...............................................................47 哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书 ...............................................................47 致谢 ...............................................................................................................................48
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第1章 绪论 1.1课题背景及研究的目的和意义 大自然不仅赋予了人类生命和丰富的自然资源，而且其丰富的生命形态给 予了人类无穷无尽的启迪。从小鸟的展翅飞翔到先进的飞机、从蝙蝠的夜间飞 行到现在的雷达系统，无一不体现了研究生物系统对科学技术发展的重大意 义。仿生学(Bionics)是生物科学与工程技术相结合的一门综合学科，通过学 习、模仿、复制和再造生物系统的结构、功能、工作原理及控制机制，来改进 现有的或创造新的机械和仪器系统等，并己经延伸到很多领域山，例如日本罗美 工程公司等机构研制的机器鲤鱼可以用来检验水质和考察海洋资源。 仿生机械学是以力学或机械学作为基础的，综合生物学、医学及工程学的 一门综合科学，它贯穿着研究、模拟生物系统的信息处理、运动机能和系统控 制，以及在医学及工程中的应用。该学科包含着对生物现象进行力学研究，对 生物的运动、动作进行工程分析，并把这些成果根据社会的要求付之实用化[]。 仿生蛇便由此孕育而生。本课题的目的是通过对生物蛇的身体结构和各种运动 形式的研究，在此基础上进行仿生蛇的设计，并对其进行运动仿真。仿生蛇可 以应用在很多不同的场合：适用于条件非常恶劣而又要求高可靠性的环境，如 在有辐射、有粉尘、有毒环境下执行侦察任务和战场上的扫雷、爆破：可以满 足在复杂环境中的搜救、侦察、排除爆炸物等反恐任务：在地震、塌方及火灾 后的废墟中搜救幸存者：在狭小和危险的条件下探测和疏通管道：航空航天领 域可用其作为行星表面探测器、空间站的柔性机械手臂等4刀。由于其广泛的应 用前景，因此仿生蛇的研究具有十分重要的意义。 1.2国内外研究现状 蛇形机器人的研究开创了仿生机器人研究的新领域，同时由于蛇形机器人 广泛的应用前景，世界上很多国家都十分重视蛇形机器人的研究。下面对蛇形 机器人国内外的研究情况进行介绍和分析。 1.2.1国外研究现状 1.2.1.1日本蛇形机器人的研究 上个世纪70年代，日本东京工业大学的Hirose教授就已经开始了蛇形机器 人的研究。Hirose教授于1972年研制了第一台蛇形机器人(Active Cord -1-
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 1 - 第1章 绪 论 1.1 课题背景及研究的目的和意义 大自然不仅赋予了人类生命和丰富的自然资源，而且其丰富的生命形态给 予了人类无穷无尽的启迪。从小鸟的展翅飞翔到先进的飞机、从蝙蝠的夜间飞 行到现在的雷达系统，无一不体现了研究生物系统对科学技术发展的重大意 义。仿生学（Bionics）是生物科学与工程技术相结合的一门综合学科，通过学 习、模仿、复制和再造生物系统的结构、功能、工作原理及控制机制，来改进 现有的或创造新的机械和仪器系统等，并已经延伸到很多领域[1]，例如日本罗美 工程公司等机构研制的机器鲤鱼可以用来检验水质和考察海洋资源[2]。 仿生机械学是以力学或机械学作为基础的，综合生物学、医学及工程学的 一门综合科学，它贯穿着研究、模拟生物系统的信息处理、运动机能和系统控 制，以及在医学及工程中的应用。该学科包含着对生物现象进行力学研究，对 生物的运动、动作进行工程分析，并把这些成果根据社会的要求付之实用化[3]。 仿生蛇便由此孕育而生。本课题的目的是通过对生物蛇的身体结构和各种运动 形式的研究，在此基础上进行仿生蛇的设计，并对其进行运动仿真。仿生蛇可 以应用在很多不同的场合：适用于条件非常恶劣而又要求高可靠性的环境，如 在有辐射、有粉尘、有毒环境下执行侦察任务和战场上的扫雷、爆破；可以满 足在复杂环境中的搜救、侦察、排除爆炸物等反恐任务；在地震、塌方及火灾 后的废墟中搜救幸存者；在狭小和危险的条件下探测和疏通管道；航空航天领 域可用其作为行星表面探测器、空间站的柔性机械手臂等[4-7]。由于其广泛的应 用前景，因此仿生蛇的研究具有十分重要的意义。 1.2 国内外研究现状 蛇形机器人的研究开创了仿生机器人研究的新领域，同时由于蛇形机器人 广泛的应用前景，世界上很多国家都十分重视蛇形机器人的研究。下面对蛇形 机器人国内外的研究情况进行介绍和分析。 1.2.1 国外研究现状 1.2.1.1 日本蛇形机器人的研究 上个世纪 70 年代，日本东京工业大学的 Hirose 教授就已经开始了蛇形机器 人的研究。Hirose 教授于 1972 年研制了第一台蛇形机器人（Active Cord
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 Mechanism-ACMI)。该机器人的总长为2m,具有20个关节，依次靠伺服机构 来驱动关节左右摆动，见图1-1。为了与地面有效地接触，该机器人的腹部安装 了脚轮。该机器人的最大速度为40cm/s,只能在平面上运动。 继第一台蛇形机器人之后，Hirose教授的研究室又先后研制了一系列的蛇形 机器人。例如ACM-R3,见图1-2，该机器人的参数见表1-1，ACM-R3机器人 采用完全无线控制的方式，每个关节自带电源，而且ACMR3为三维结构，能 够在三维环境中运动和完成复杂的三维动作8， 图1-1ACMI蛇形机器人 图1-2ACM-R3蛇形机器人 表1-1ACM-R3的参数 自由度 尺寸 质量 关节活动范围 输出力矩 20 1755×110×110(mm) 12.1(kg) ±62.5（°） 19.1(N.m) 日本NEC公司的Takanashi研制了刚性关节连接的蛇形机器人，如图l-3所 示，该机器人的机构采用了特殊的关节结构，具有6个管状的连杆，长1.4m, 直径42mm,重4.6kg,能够实现三维空间运动，可以应用在危险情况下的勘察 和营救工作o。 1.2.1.2德国蛇形机器人的研究 德国GMD国家实验室研制1996年研制出了第一代蛇形机器人，如图1-4所 示，该机器人由15个关节组成，在蛇的前端装有一个头关节。头关节可以携带 用于不同传感装置和激励装置的应用程序。该模型上带有用于判断方位的简单 的视觉传感器。每一个关节都有单独的从属处理器来控制，所有的从属处理器 通过总线连接到中央控制器，由中央处理器来控制它们的协调动作。该蛇形机 器人要靠由电缆连接的外部电源工作山。 -2-
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 Mechanism-ACMⅢ）。该机器人的总长为 2m，具有 20 个关节，依次靠伺服机构 来驱动关节左右摆动，见图 1-1。为了与地面有效地接触，该机器人的腹部安装 了脚轮。该机器人的最大速度为 40cm/s，只能在平面上运动。 继第一台蛇形机器人之后，Hirose教授的研究室又先后研制了一系列的蛇形 机器人。例如ACM-R3，见图 1-2，该机器人的参数见表 1-1，ACM-R3 机器人 采用完全无线控制的方式，每个关节自带电源，而且ACM-R3 为三维结构，能 够在三维环境中运动和完成复杂的三维动作[8,9]。 图 1-1 ACMⅢ蛇形机器人 图 1-2 ACM-R3 蛇形机器人 表 1-1 ACM-R3 的参数 自由度 尺寸 质量 关节活动范围 输出力矩 20 1755×110×110（mm） 12.1（kg） ±62.5（°） 19.1（N.m） 日本NEC公司的Takanashi研制了刚性关节连接的蛇形机器人，如图 1-3 所 示，该机器人的机构采用了特殊的关节结构，具有 6 个管状的连杆，长 1.4m， 直径 42mm，重 4.6kg，能够实现三维空间运动，可以应用在危险情况下的勘察 和营救工作[10]。 1.2.1.2 德国蛇形机器人的研究 德国GMD国家实验室研制 1996 年研制出了第一代蛇形机器人，如图 1-4 所 示，该机器人由 15 个关节组成，在蛇的前端装有一个头关节。头关节可以携带 用于不同传感装置和激励装置的应用程序。该模型上带有用于判断方位的简单 的视觉传感器。每一个关节都有单独的从属处理器来控制，所有的从属处理器 通过总线连接到中央控制器，由中央处理器来控制它们的协调动作。该蛇形机 器人要靠由电缆连接的外部电源工作[11]。 - 2 -
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 图1-3NEC的蛇形机器人 图1-4第一代GMD蛇形机器人 在第一代机器人的基础上，GMD国家实验室于1998年开始研究第二代蛇形 机器人的样机，并于1999年完成，见图1-5。它是由头部、躯干和一个尾关节 构成的。它的每一个关节上都有12个轮子，同时每一个关节上都有一个16位 微处理器来控制电机、读取并处理数据。安装在头部的微处理器对蛇的整体动 作进行规划和控制，其控制方式为上位机-总线-下位机。目前该机器人具有速度 和位置反馈，能翻越简单障碍，具有一定的自主反应能力2,1)。 1.2.1.3美国蛇形机器人的研究 美国字航局(NASA)于1999年开始研究多关节的蛇形机器人14，并在 2000年推出第一代蛇形机器人，计划其在太空中用于行星地表探测以及空间站 维护工作，其第一代蛇形机器人如图1-6所示，它采用两种互相垂直的模块组成 一个蛇形机器人单元。这种机构非常有效，因为在蜿蜒运动的时候，它的左右 摆动的模块产生作用；在行波运动时候，它的上下摆动的模块产生作用：侧向 运动和翻越障碍物的时候，两种模块一起产生作用就可以实现：由于两模块互 相垂直，因此它可以实现翻滚运动。整个蛇形机器人有个总体电脑控制，控制 各个模块上的电脑工作。 图1-5第二代GMD蛇形机器人 图1-6NASA研制的蛇形机器人 3
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 图 1-3 NEC 的蛇形机器人 图 1-4 第一代 GMD 蛇形机器人 在第一代机器人的基础上，GMD国家实验室于 1998 年开始研究第二代蛇形 机器人的样机，并于 1999 年完成，见图 1-5。它是由头部、躯干和一个尾关节 构成的。它的每一个关节上都有 12 个轮子，同时每一个关节上都有一个 16 位 微处理器来控制电机、读取并处理数据。安装在头部的微处理器对蛇的整体动 作进行规划和控制，其控制方式为上位机-总线-下位机。目前该机器人具有速度 和位置反馈，能翻越简单障碍，具有一定的自主反应能力[12,13]。 1.2.1.3 美国蛇形机器人的研究 美国宇航局（NASA）于 1999 年开始研究多关节的蛇形机器人[14]，并在 2000 年推出第一代蛇形机器人，计划其在太空中用于行星地表探测以及空间站 维护工作，其第一代蛇形机器人如图 1-6 所示，它采用两种互相垂直的模块组成 一个蛇形机器人单元。这种机构非常有效，因为在蜿蜒运动的时候，它的左右 摆动的模块产生作用；在行波运动时候，它的上下摆动的模块产生作用；侧向 运动和翻越障碍物的时候，两种模块一起产生作用就可以实现；由于两模块互 相垂直，因此它可以实现翻滚运动。整个蛇形机器人有个总体电脑控制，控制 各个模块上的电脑工作。 图 1-5 第二代 GMD 蛇形机器人 图 1-6 NASA 研制的蛇形机器人 - 3 -
