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上海电力学院本科毕业设计（论文）题目：仿生机器蛇的设计与仿真院系：电力与自动化工程学院专业年级：测控技术与仪器学生姓名：学号：指导教师：【摘要】在仿生机械学中，模仿生物蛇而衍生的机器蛇将逐渐具备灵活的变形特征。
具有多于确定机器人空间位置和姿态所需的自由度，使得它可摹仿生物蛇的运动状态，在许多的领域具有广泛的应用前景。
本文提出了一种类似正弦波形的7关节三动杆蛇形机器人结构，并对该机器人的步态进行了分析，对其前进的方式进行了数学建模设计，最后使用软件ADAMS2007进行运动的计算机建模和模拟仿真，通过仿真，验证了模型的步态过程与端点的轨迹曲线。
为该蛇形机器人在具体设计制造前提供了理论和仿真。
关键词：蛇形机器人；运动模拟；ADAMS建模仿真【Abstract】In simulation mechanics, snake-machine which derives from simulating biological snakes becomes more and more flexible. Snake-machine is a highly redundant robot which has more freedoms which is needed in space location and gestures than definite robot, thus it can simulate the movement of snake and has a better prospect: for example it can execute investigation missions、mine sweeping and searching. The variation of movement makes it has a better ability of adaption, every joint derived separately, it has a strong load capacity and easy maintenance. This article provides a structure of sinusoidal seven joints snake-machine, and gives a conclusion by using the software ADAMS2007 to execute the modeling of motion and simulation. This snake-machine gives theory and simulation before specific design and manufacturing.Key Words:Snake-like robot；Motion simulation；ADAMS Modeling and Simulation目录1 绪论.......................................................... - 1 -1.1课题研究的背景及意义 (1)1.2仿生机器蛇的研究现状及发展 (1)1.2.1 国外研究现状......................................... - 1 -1.2.2 国内研究现状......................................... - 5 -1.3蛇的运动方式. (6)1.4本文的研究内容 (7)2 仿生机器蛇的运动分析及步态研究................................ - 9 -2.1引言 (9)2.2仿生机器蛇运动模型 (9)2.2.1 仿生机器蛇的侧向运动模型.............................. - 9 -2.2.2 仿生机器蛇的蠕动运动模型............................. - 10 -2.3仿生机器蛇的步态研究. (11)2.3.1 仿生机器蛇的模型结构设计............................. - 11 -2.3.2 仿生机器蛇的步态研究................................. - 11 -2.3.2 仿生机器蛇的步态与位移分析........................... - 12 -2.3.3 仿生机器蛇各连杆间的相对角位移....................... - 14 -2.3.4 仿生机器蛇设计....................................... - 14 -2.4本章小结. (16)3 仿生机器蛇的ADAMS仿真....................................... - 17 -3.1ADAMS软件介绍 (17)3.2仿生机器蛇的ADAMS仿真流程 (18)3.3仿生机器蛇的ADAMS仿真模型参数 (19)3.4仿生机器蛇的ADAMS仿真结果分析与验证 (21)3.5本章小结 (27)4 总结......................................................... - 28 -4.1结论 (28)4.2展望 (28)致谢........................................................... - 29 -参考文献....................................................... - 30 -附录........................................................... - 31 -附录1：ADAMS中的STEP和IF函数及方形波函数 (31)附录2：ADAMS中的约束关系 (33)附录3：万向节 (34)1 绪论1.1 课题研究的背景及意义蛇的生存环境是非常多样化的：森林、沙漠、山地、石堆、草丛、沼泽甚至湖泊。
蛇形机器人驱动原理
蛇形机器人驱动原理可以分为以下几种方法：
1. 基于绳索驱动：蛇形机器人通过多个绳索和驱动轮组成的机构来实现驱动。
每个绳索连接到机器人的不同部位，并通过电动机或者气动机构驱动来控制绳索的收放，从而使机器人进行蠕动运动。
2. 基于电动马达驱动：蛇形机器人的每个关节都安装有电动马达，通过控制电动马达的旋转来驱动机器人的运动。
不同关节之间的运动通过分别控制各个电动马达的转速和方向来实现。
3. 基于形变材料驱动：蛇形机器人的身体由形变材料（如人工肌肉）构成，形变材料会在外界刺激下发生形变，从而驱动机器人运动。
可以通过电流、温度或化学反应等方式，控制形变材料的形状变化，进而实现机器人的蛇行运动。
4. 基于液压驱动：蛇形机器人使用液压系统来驱动机器人的运动。
液压驱动系统通过液体的流动来驱动机械部件的运动，液压系统中的液压泵提供液体的动力，并通过液压缸或液压马达将液体的动力转化为机械运动。
以上是一些常见的蛇形机器人驱动原理，不同的蛇形机器人可能采用不同的驱动方式。
此外，还可以使用其他驱动原理，如气动驱动、电磁驱动等，来实现蛇形机器人的运动。
机器蛇说明书作者：徐亮，邹庆东，吴珂科，徐欢欢机器蛇，是一种新型的仿生机器人，具有低重心、多关节、多自由度、多冗余度等特点。
它与传统的轮式或两足步行机器人不同的是，它实现了像蛇一样的“无肢运动”。
我们设计的机器蛇具有前进、后退、拐弯、抬头、侧向翻滚等多种运动方式，并具有较强的环境适应能力。
◆机器蛇的主要特点1、适应各种路面这种“无肢运动”最大的优点在于它能够在各种不同的路况下前进。
轮式和两足步行机器人一般都只能在地面上行走，而且对路况的要求比较高。
机器蛇的超多自由度使其身体具有柔软的特性，能够适应各种不同的工作地面，有较强的环境适应能力。
2、抗干扰能力强机器蛇还具有很强的抗干扰能力。
首先，在运动过程中，机器蛇细长而柔软的身体始终接触地面而保持最低的身体重心，使其具有高度的稳定性。
其次，由于我们的机器蛇四个侧面都是对称的，即使在运动时受到外界一些不确定因素的干扰，比如从斜坡上翻滚下来，或者外界推力使其翻身，机器蛇都可以自动判断当前应该将哪个侧面作为底面，并执行相应的运动程序，保持了机器蛇的运动能在复杂工况下连续进行。
3、模块化设计机器蛇的各个关节在结构上是相同的，便于设计和维护，即机器蛇的执行单元具有机构上的可重构性。
机器蛇系统的硬件和软件系统均易于采用模块化设计，这些相同的模块在设计、制造、装配过程上是统一的，大大缩小了设计周期，降低制造成本，同时便于机器人的维护和零件的替换。
4、可在狭小空间工作机器蛇身体比较小，更适合于在一些管道等窄小的地方行走，这也是普通机器人难以达到的。
◆机器蛇的机械结构机器蛇在机械结构上采用了一种串联杆系结构，通过关节的相对转动角度达到相应的运动姿态以实现规定的运动。
同时各个关节在结构上采用了模块化设计，以便于结构设计和维护。
机器蛇的每个关节均装有伺服舵机，各个关节模块以转轴为轴心，在电动机的驱动下，在平面内作ο90-到ο90+的旋转。
相邻关节正交连接，一个关节在偏转方向旋转，另一个关节在俯仰方向上旋转，结合起来就可以实现三维空间内的运动。
对机器蛇实验的一些感触与收获在对于机器人这个词还处于茫然阶段的时候，我选择了机器人实验（二）这门课程，王伟老师将我从零基础的状态带入了机器人这个领域，开始了对机器蛇的学习与探究。
对于蛇形机器人，开始也是被很多人都感兴趣的仿生学所吸引，想看看到底用硬邦邦的东西是怎么实现蛇的运动。
本以为枯燥的学科在老师风趣幽默的语言和丰富生动的肢体动作下显得有意思多了！一、下面是我在这段时间学习中关于机器蛇的一些简单的认识：（一）、对于蛇形机器人的系统我们有了初步的认识开始几周的课，我们讲述的是理论课，我们通过对生物蛇的想象和观察发现，生物蛇的运动多种多样，蜿蜒运动、直线式蠕动、螺旋式滑动、蠕动、横波运动等等，但是无论是哪一种运动都可以看做是一列行波的传递。
（二）、蛇形机器人宏观运动的实现---模块化设构建我们将蛇身分成若干个关节，solidsnake利用垂直和水平方向的正交的关节来拟合蛇类生物的柔软身体，每两个正交的关节组成一个单元体。
每个关节实现相同的运动，只是时间上有所差异，也就是相位不同。
这样我们的工作就简单多了，只需编译出想要的运动的一个程序就可以了，其他关节只要改动一个时间参数就可以了。
那么这个程序的编写就是后面提到的软件部分的重要任务了，也是我们这次实验的重点内容。
蛇的每个关节不同方向的运动是通过舵机控制来实现的，从机采用了ATmega8处理器，每个从机模块控制两个正交方向的舵机工作。
舵机是一种可以根据给定信号转动一定角度的伺服电机，信号不同，其转角也不同，转角需控制在最大范围内。
（三）、关于机器蛇的软件部分这是我们这次实验的重点内容，老师给我们布置了六个实验，来帮助我们学习机器蛇单关节运动的实现，其中包括：控制芯片ATMega8的I/O输出、内部定时器、IO与定时器、单舵机控制、蛇体关节双舵机控制、单元关节通讯。
主要学习了几个软件的应用：ICCAVR、PonyProg2000、Protel99SE。
蛇形机器人的原理蛇形机器人的原理是通过模仿和模拟蛇的运动方式来实现机器人的移动。
蛇能够在不同的环境下灵活地爬行，并且能够通过扭动身体的方式来改变方向和前进。
蛇形机器人就是通过类似的方式来实现机械结构和运动控制。
蛇形机器人通常由多个关节和环节组成，这些关节和环节通过某种机械连接方式相互连接。
每个关节都有能够自由运动的自由度，可以通过这些自由度的组合来实现蛇形机器人的运动。
在机械设计上，通常使用连杆、铰链、舵机等来实现关节的运动。
蛇形机器人的运动方式主要是通过扭曲和扭转自身的身体来实现。
具体来说，当蛇形机器人需要向前运动时，它会将身体前面的一部分向前扭动，同时将身体后面的一部分向后扭动。
这样一来，机器人整体的前进方向就会与身体的扭动方向相反，从而向前移动。
蛇形机器人的身体通常由一系列类似链环的环节组成。
这些环节具有一定的柔软性和可变形性，可以通过变形来实现机器人的运动。
每个环节通常由一个关节和一个连接环组成。
关节用于控制环节的运动，连接环用于实现环节之间的连接和运动传递。
在控制方面，蛇形机器人通常使用传感器和控制算法来实现运动的识别和控制。
传感器主要用于感知机器人周围的环境，例如通过摄像头来感知周围障碍物的位置和距离。
控制算法则负责根据传感器的数据来计算机器人的运动轨迹和关节的运动方式。
在运动控制方面，蛇形机器人的目标是通过对每个关节的运动控制来实现机器人整体的运动。
通常，每个关节都由一个电机或舵机驱动，通过改变电机或舵机的转动角度来实现关节的运动。
控制算法根据机器人的运动目标和当前环境的信息，计算每个关节应该运动的角度和方向，然后发送控制信号给相应的电机或舵机。
总结起来，蛇形机器人的原理是通过模仿和模拟蛇的运动方式来实现机器人的移动。
它由多个关节和环节组成，通过某种机械连接方式相互连接，并且通过扭曲和扭转身体来实现运动。
蛇形机器人通过传感器和控制算法来感知环境和控制运动，以实现机器人整体的运动和导航。
机器蛇的仿生原理
嘿，朋友们！今天咱来聊聊超酷的机器蛇的仿生原理，这可真的是太有意思啦！
你想啊，蛇那家伙，在草丛里“嗖嗖”地就滑过去了，那动作多灵活！机器蛇就是模仿蛇的这些特点来的呢。
就好像我们人学习游泳，得模仿鱼儿的动作一样，神奇吧！比如说机器蛇的身体结构，那可不是随便设计的哟。
它就像蛇一样，可以弯曲、扭转，多灵活呀！
再看看它的行动方式，哇哦，那简直和真蛇有的一拼！真蛇是怎么前进的呀？不就是靠身体的弯曲和伸展嘛。
机器蛇也一样呢，通过巧妙的机械设计，让自己能够像蛇一样蜿蜒前行。
你能想象到那种感觉吗？就好像一条金属的蛇在你的面前悄悄地“爬”过。
还有啊，机器蛇的感知能力也超厉害！就像蛇能够敏锐地感知周围的环境一样，机器蛇也配备了各种厉害的传感器。
这就好比我们人有眼睛、耳朵去感受世界，机器蛇也有它自己的“眼睛”和“耳朵”呢！它能察觉到前方有没有障碍物，聪明吧？
“哎呀，那这机器蛇用处肯定很大吧？”你肯定会这么问。
当然啦！它可以去那些我们人很难到达的地方进行探索呀，比如狭窄的管道、复杂的废墟。
这不是超级酷嘛！
我觉得机器蛇真的是科技的一大奇迹呀！它让我们看到了人类的智慧是多么强大，可以模仿自然界的生物造出这么神奇的东西。
它的未来肯定不可限量，会给我们的生活带来更多的惊喜和便利呢！。
一种仿生蛇形机器人的结构设计近年来，随着机器人技术的不断发展，仿生机器人的设计也越来越受到关注。
其中，仿生蛇形机器人作为一种新型机器人，具有较高的柔性和自适应性，受到了广泛关注。
本文将介绍一种仿生蛇形机器人的结构设计。
一、机器人结构概述仿生蛇形机器人的结构主要分为三个部分：头部、身体和尾部。
其中头部通常是由一个带有摄像头的模块组成，用于判断移动方向和障碍物识别。
身体部分采用分段的设计，每一段都能够实现自主运动，可以通过控制运动的角度和频率来实现机器人的移动。
尾部部分通常采用与身体部分相同的结构，主要起到稳定机器人的作用。
整个机器人结构灵活、可塑，可适应各种环境下的移动。
二、身体部分结构设计身体部分是仿生蛇形机器人最重要的部分，它决定了机器人的运动能力。
每一段身体都由一个转轴、一个驱动器和一个连接器组成。
转轴通常采用伺服电机或步进电机，可以控制其运动角度和速度，用于驱动身体运动。
驱动器通常采用弹性体或金属刚体，用于传输能量和控制运动轨迹。
连接器通常采用柔性材料，如橡胶或硅胶，能够实现身体的伸缩和弯曲，用于实现蛇形机器人的运动。
三、控制系统设计仿生蛇形机器人的控制系统包括硬件和软件两部分。
硬件方面，需要运用传感器、电机控制器、信号处理器等设备。
具体来说，需要安装陀螺仪、加速器、振动器等传感器，用于检测机器人的角度、速度和加速度。
电机控制器负责驱动电机，控制机器人的运动。
信号处理器用于处理控制指令和传感器数据，控制机器人的移动。
在软件方面，主要有机器人控制程序和运动学算法两部分。
控制程序负责接收用户指令，解析传感器数据，并将控制命令转换成电机控制信号。
运动学算法主要用于定位机器人的位置、速度和运动轨迹。
四、应用场景仿生蛇形机器人可应用于海底探测、医疗器械、安防巡逻、排爆等领域。
例如，用于水下探测可以采用防水材料，实现机器人在水中的自由运动。
医疗器械方面，仿生蛇形机器人可以用于手术，实现微创手术、准确治疗等。
蛇形机器人运动机制的仿生研究关键信息项：1、研究目的2、研究方法3、研究进度4、成果评估标准5、知识产权归属6、合作方式7、风险与责任承担8、经费预算及使用9、保密条款11 研究目的本协议旨在明确关于蛇形机器人运动机制的仿生研究的目标和期望成果。
通过对蛇类生物运动方式的深入分析和模仿，开发出更高效、灵活和适应性强的蛇形机器人运动模式，以应用于多个领域，如救援、探测、工业生产等。
111 具体目标包括但不限于：1111 深入理解蛇类生物的肌肉运动、骨骼结构和关节活动对其运动的影响。
1112 建立精确的蛇形机器人运动数学模型。
1113 设计并实现能够模拟蛇类多种运动形态的机器人硬件结构和控制系统。
12 研究方法121 采用多学科交叉的研究方法，融合生物学、机械工程学、电子工程学、计算机科学等领域的知识和技术。
122 对蛇类生物进行实地观察和影像资料分析，获取其运动特征和规律。
123 运用先进的建模软件和仿真工具，对蛇形机器人的运动进行模拟和优化。
124 制作实验样机，进行实际运动测试和性能评估。
13 研究进度131 第一阶段（时间区间 1）：完成蛇类生物运动数据的收集和分析，初步建立理论模型。
132 第二阶段（时间区间 2）：设计机器人硬件结构和控制系统方案，并进行初步制作。
133 第三阶段（时间区间 3）：进行样机的调试和实验，优化运动性能。
134 第四阶段（时间区间 4）：对最终成果进行全面评估和总结。
14 成果评估标准141 运动速度和灵活性达到预定指标。
142 能够适应多种复杂地形和环境条件。
143 与真实蛇类运动的相似度和仿生效果显著。
144 控制精度和稳定性符合设计要求。
15 知识产权归属151 研究过程中产生的所有知识产权归合作双方共同所有。
152 未经双方同意，任何一方不得擅自将知识产权转让或授权给第三方。
16 合作方式161 双方成立联合研究小组，明确各自的职责和分工。
162 定期召开研究进展会议，交流研究成果和问题。
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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。
