上海交通大学：《力学仿生——启示与探索》课程教学资源_陆地_仿生蛇的设计及其运动仿真.pdf_大学文库

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 - 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 - 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