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