關(guān)于蛇行運(yùn)動(dòng)的仿生

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1、.-..蛇行運(yùn)動(dòng)仿生設(shè)計(jì)在交通運(yùn)輸領(lǐng)域應(yīng)用課程名稱：仿生學(xué)專業(yè)班級：10級生物科學(xué)01班學(xué)生姓名：馬步益-..關(guān)于蛇行運(yùn)動(dòng)仿生設(shè)計(jì)在交通運(yùn)輸領(lǐng)域應(yīng)用的研究蛇是一種無肢體的動(dòng)物,依靠細(xì)長身體的蜿蜒推動(dòng)快速運(yùn)動(dòng).蛇是脊椎動(dòng)物,它的脊椎大約有200~400塊脊骨,蛇的脊骨形成球套關(guān)節(jié),并帶有突起,這樣防止了軀體扭動(dòng),保護(hù)了脊索.該結(jié)構(gòu)由一系列表面形成,產(chǎn)生有限范圍的水平和垂直運(yùn)動(dòng),對于大多數(shù)蛇而言,水平運(yùn)動(dòng)范圍為10~20b,垂直運(yùn)動(dòng)范圍為2~3b.蛇是定長的,它只有3種骨骼:頭骨、脊骨、肋骨.蛇骨骼結(jié)構(gòu)是簡單的重復(fù)性結(jié)構(gòu),并限制相鄰脊椎關(guān)節(jié)的相對運(yùn)動(dòng)。一蛇形仿生機(jī)器人蛇形機(jī)器人的研究開創(chuàng)了一個(gè)新的

2、仿生機(jī)器人研究領(lǐng)域。自20世紀(jì)70年代日本的第一條蛇形機(jī)器人問世,各國的許多研究人員開始了該類機(jī)器人的研究,提出大量的相關(guān)理論[l明,制作了多臺樣機(jī)。近幾年,我國科技工作者也開始研究蛇形機(jī)器人。根據(jù)蛇的運(yùn)動(dòng)原理制作的蛇形機(jī)器人,可以克服輪式機(jī)器人和腿式機(jī)器人的缺點(diǎn),能夠在多種環(huán)境中運(yùn)動(dòng)。例如:在草地中爬行,在水中游泳,在凸凹不平的地面運(yùn)動(dòng),在沼澤中前進(jìn);作為操作臂完成各種危險(xiǎn)作業(yè),進(jìn)入狹小空間完成修補(bǔ)和搶救工作。而且蛇形機(jī)器人機(jī)構(gòu)簡單,模塊化設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)可重構(gòu)。另外,蛇形機(jī)器人的節(jié)律運(yùn)動(dòng)為其控制提供了有利條件。沈陽自動(dòng)化所已制作出兩代蛇形機(jī)器人功能樣機(jī),在設(shè)計(jì)和試驗(yàn)中積累了很多寶貴經(jīng)驗(yàn)。首先介

3、紹蛇形機(jī)器人結(jié)構(gòu),包括機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制結(jié)構(gòu)。然后,說明蛇形曲線,并在此基礎(chǔ)上,提出有關(guān)蛇形機(jī)器人轉(zhuǎn)彎的幅值調(diào)整法和相位調(diào)整法,同時(shí)提出了側(cè)移運(yùn)動(dòng)的相關(guān)規(guī)劃。l.蛇形機(jī)器人結(jié)構(gòu)-..沈陽自動(dòng)化所的蛇形機(jī)器人在機(jī)構(gòu)上采用模塊化設(shè)計(jì)(如圖1所示),每個(gè)模塊具有自由度,多個(gè)模塊按一定方式連接可以組裝成三維蛇形機(jī)器人(如圖2所示)。在控制上,選用CAN總線的控制方式實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)對多點(diǎn)的控制,滿足實(shí)時(shí)控制的需要(如圖3所示)。每個(gè)模塊都裝有一片嵌入式16位單片機(jī),各個(gè)單片機(jī)獨(dú)立處理關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)信息和傳感信息,為機(jī)器人的分布式控制提供有利條件。蛇形機(jī)器人頭部安裝有GPS定位系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)和攝像頭,向主控計(jì)算機(jī)提

4、供位置信息、通信和圖像信息。蛇形機(jī)器人尾部安裝有電池,為蛇形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力。2蛇形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)曲線自然界中蛇的運(yùn)動(dòng)形式可大致分為四種:1蜿蜒運(yùn)動(dòng):是最常見也是運(yùn)動(dòng)效率最高的運(yùn)動(dòng)形式。蜿蜒運(yùn)動(dòng)時(shí),蛇依靠與地面的切向摩擦力和法向摩擦力的差推動(dòng)自身運(yùn)動(dòng),需要身體的肌肉產(chǎn)生較大力矩和保持收縮與伸展的連續(xù)性。o直線運(yùn)動(dòng):類似于蛆叫的收縮運(yùn)動(dòng)方式,是蛇在捕食過程中采用的運(yùn)動(dòng)方式。?收縮運(yùn)動(dòng):是蛇在比較光滑平面或狹小空間下采用的一種運(yùn)動(dòng)方式。側(cè)向運(yùn)動(dòng):更確切地說應(yīng)該叫做斜側(cè)運(yùn)動(dòng),是沙漠中響尾蛇的一種運(yùn)動(dòng)方式,在向前運(yùn)動(dòng)的同時(shí)產(chǎn)生側(cè)向運(yùn)動(dòng)。就蜿蜒運(yùn)動(dòng)而言,日本的Hirose教授最早提出了蛇形曲線,該曲線是在

5、對生物蛇進(jìn)行大量的運(yùn)動(dòng)觀測后提出的。通過在蛇形機(jī)器人上的試驗(yàn),證明采用蛇形曲線的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)效率高、波形連續(xù)。馬書根教授從肌肉的力學(xué)分析角度證明了此種曲線,并從動(dòng)力學(xué)角度分析了采用蛇形曲線的蛇形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)彎方法的提出。許多學(xué)者對蛇形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)曲線作了大量研究,但涉及到如何使蛇形機(jī)器人轉(zhuǎn)彎及控制轉(zhuǎn)彎半徑的研究尚少。蛇形機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中,由于滑動(dòng)的原因必然產(chǎn)生偏離原路徑的運(yùn)動(dòng),或者由于運(yùn)動(dòng)的需要而執(zhí)行某種偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。因此,提出調(diào)整蛇形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方位的方法是非常必要的。一般可將偏離運(yùn)動(dòng)分為三種:方向偏離,側(cè)移和兩者的結(jié)合。在分析蛇形曲線的基礎(chǔ)上,提出幅值調(diào)整法和相位調(diào)整法兩種新的轉(zhuǎn)彎方法,并在下一

6、部分提出一種簡單的側(cè)移方法。通過這些方法可以實(shí)現(xiàn)蛇形機(jī)器人的方位調(diào)整。-..4.蛇形機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀(Thepresentstateofsnake-robotresearch)自從日本東京大學(xué)的Hirose教授1972年研制了第一臺蛇形機(jī)器人樣機(jī)（圖2）,至今蛇形機(jī)器人已成為仿生機(jī)器人研究對象中很活躍的一支.美國ChrikjianandBurdick首先從超冗余度機(jī)器人角度開始對蛇形機(jī)器人的機(jī)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)理論進(jìn)行一些研究.并提出變幾何桁架結(jié)構(gòu)作為蛇的基本模塊形式.日本Ibaraki大學(xué)的馬書根研制了周圍有輪子保護(hù)的ACM-R3,該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單,并可以實(shí)現(xiàn)直接單元驅(qū)動(dòng)、側(cè)面滾動(dòng)、螺旋運(yùn)動(dòng)、S曲線等各

7、種運(yùn)動(dòng)形式.NEC公司的Takanash開發(fā)研制一種由剛性體關(guān)節(jié)相連的蛇形機(jī)器人機(jī)構(gòu),它能夠?qū)崿F(xiàn)三維空間運(yùn)動(dòng),應(yīng)用在危險(xiǎn)情況下探查和營救工作.但由于長的剛性體單元,它不能實(shí)際仿真蛇的運(yùn)動(dòng).-..德國Karl.L.Paap研制了(GMD-snake1),該樣機(jī)每節(jié)由兩個(gè)橡膠關(guān)節(jié)組成,一個(gè)單元有四組驅(qū)動(dòng)裝置(8個(gè)電機(jī))可以在垂直和水平方向上彎曲,其優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)在各個(gè)方向靈活,缺點(diǎn)是抬起時(shí)由于重力作用,關(guān)