叶片轮式蛇形机器人
第一章
前言
蛇，属爬行纲，蛇亚目，脊椎动物，大部分是陆生，也有半树栖、半水栖和水栖的。蛇的行走千姿百态，或直线行走或弯蜒曲折而前进，这是由蛇的结构所决定的：蛇全身分头、躯干及尾三部分，蛇没有四肢，全身被鳞片遮盖。
蛇的运动方式：
一、弯蜒运动：爬行时，蛇体在地面上作水平波状弯曲，使弯曲处的后边施力于粗糙的地面，由地面的反作用力推动蛇体前进；
二、履带式运动：蛇没有胸骨，它的肋骨可以前后自由移动，肋骨与腹鳞之间有肋皮肌相连。当肋皮肌收缩时，肋骨便向前移动，带动宽大的腹鳞依次竖立而稍稍翘起，翘起的腹鳞就像踩着地面，但这时只是腹鳞动而蛇身没有动，接着肋皮肌放松，腹鳞的后缘施力于粗糙的地面，靠反作用把蛇体推向前方，这种运动方式产生的效果是使蛇身直线向前爬行，就像坦克；
三、伸缩运动：蛇身前部抬起尽力前伸，接触到支持的物体时，蛇身后部即跟着缩向前去，然后再抬起身体前部向前伸得到支持物，后部再缩向前去，这样交替伸缩，蛇就能不断地向前爬行，在受到惊动时，蛇身会很快地连续伸缩，加快爬行的速度，给人以跳跃的感觉。
蛇由于自身形状和运动特点使其适于在狭小空间和狭长管道以及各种地面(如硬地、沙地、软土等)上运动，蛇的多种运动形式及生理特点使它适应广泛的地理和自然环境。
1.1 研究蛇形机器人的背景和意义
2000年以来，仿生机器人学正在机器人领域占有越来越重要的位置。蛇形机器人是一种模仿蛇的运动机理和行为方式研制出的机器人，是近年来兴起的仿生机器人的一个新的分支。
蛇形机器人区别于传统的利用轮、腿或履带移动的机器人。它模仿蛇的动作,稳定性好、横截面小、高柔性，这些特点使得蛇形机器人能够进入因地震或火灾等灾害而倒塌的建筑物内部、原子反应堆和石油化工等领域的装置内部以及其他人们不能涉足的危险场所执行搜寻和检测维护任务，不仅使人更安全,也使探测、救援或维护更有效。
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其模块化结构和高冗余度非常适应于条件非常恶劣而又要求高可靠性的战场、外层空间等环境，可用于战场上的扫雷、爆破，空间站的柔性机械手臂，通过能力很强的行星地表探测器等。
1.2国内外研究现状
随着人们对蛇形机器人的认识，世界各国都开展了蛇形机器人的研究并研制出多样机。日本的Hirose教授对蛇的运动形式有较深的研究，研制出了第一台蛇形机器人。他领导的Hirose Fukushima Lab 实验室研制开发的水中蛇形机器人，能够在水下以蛇形方式自由地游泳，和真蛇相比，动作惟妙惟肖，见图1-1；他们研制的另一种蛇形机器人长1.2米，由3节组成，用6个履带爬行，可以远程遥控，操作者可根据机器人捕捉到的画面反映的具体情况发出指令，让机器人停止、前进和改变方向，见图1-2。
图1-1 日本水中蛇形机器人 图1-2日本救援蛇形机器人
美国宇航局于1999年开始研究多关节的蛇形机器人，计划在其太空计划中用于行星地表探测以及空间站维护工作，其第三代蛇形机器人如图1-3所示，它的主体部分由约30个相同的类似于铰链的模块一起链接而成。这些模块由一个“中心脊骨”连接在一起，共同实现不同的功能。该机器人能完成蠕动前进.游动前进.翻越简单障碍物等功能。它们还可以盘绕和翻转以爬上和翻越障碍物。蛇形机器人的框架由聚碳酸酯材料制成，表面覆盖一层人工皮以防止火星环境的侵害。
德国人Gavin.H从约1997年开始从事蛇形机器人的研究工作，到目前为止共设计并制作了S1～S7七代蛇形机器人，图1-4为S5，图1-5为S7。S5已经达到相当高的
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水平，特点是：各个关节形状尺寸不同，高度模拟生物蛇；但为二维结构，无法完成三维空间运动；依靠从动轮而不是摩擦运动，运动速度很高。
图1-3 美国宇航局的SnakeBot 图1-4 德国Gavin.H S5 图1-5 德国Gavin.H S7
挪威SINTEF研究基金会的波尔·利尔杰贝克等人日前研制成功了一种形似蟒蛇的消防机器人。这种被称为“安娜·康达”的蛇形机器人长度为3米，重量约70公斤，见图1-6。它可以与标准的消防水带相接并牵着它们进入消防队员无法到达的区域进行灭火。“安娜·康达”的行动非常灵活，可以非常迅速地穿过倒塌的墙壁，代替消防员进入高温和充满有毒气体的危险火灾现场。该机器人的能量供给方式也非常奇特，它能够直接从消防水带中获取前进的动力。“安娜·康达”全身共安装有20个靠水驱动的液压传动装置，由于每一个传动装置的开关都由计算机进行精确控制，使得机器人能够像蛇一样灵活的移动。
近年来，国内也开展了对蛇形机器人的研究工作。国防科大的Robosnake是国内最早报道的蛇形机器人，最初为二维结构，依靠从动轮前进，长约1.5米，重约3Kg。目前发展为三维结构，见图1-7。中国科学院沈阳自动化所开发出了一种实现三维空间运动的蛇形机器人，采用正交串联结构，可以完成蠕动前进、游动前进、滚转等运动，见图1-8。
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图1-6 挪威“安娜·康达” 图1-7 国防科大RoboSnake 图1-8 中科院沈阳自动化所蛇形机器人
1.3 设计目的
设计一种具有新型运动机构的蛇形机器人，结构简单，能够提供超越目前大多数蛇形机器人的越障能力—能越过自身高度3倍以上的障碍物；运动速度快，结构、控制简单；能够进入狭小空间执行任务，攀爬楼梯，在崎岖的路面运行；有较强的负重能力，能够搭载各种传感器，用于搜救、侦察、反恐、进入危险区域探测等。
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第二章 总体方案设计
2.1 方案选择
蛇形机器人已出现了多种结构形式，并实现了多种运动模式。蛇形机器人都是由多节组成，一般每个关节由两个舵机驱动，关节能够上下、左右运动。按照结构形式的不同，蛇形机器人可以分为两类：
一、由刚性杆组成的链状结构。目前此类蛇形机器人的代表机构有柔性关节单元蛇形机构及二自由度模块组成的蛇形机器人机构，见图2-1。这类蛇形机器人利用关节来产生驱动力，运动时多个关节舵机由处理器控制，协调动作形成仿蛇的曲线运动产生前进的动力，这种结构在平地能够达到较好的运动效果，但是在复杂地面（如乱石堆等）却不能有效的前进，原因在于这种结构的蛇形机器人身体必须不断扭动才能产生驱动力，身体摆动幅度大，当身体周围空间有障碍物限制其扭动时，便不能产生足够的驱动力使自身前进。所以适合在平坦的地面运动，能实现翻滚动作、卷住柱状物蜿蜒而上、穿上外衣能在水中游泳等，缺点是运动适应自然环境的能力不强且控制复杂，不适合在凹凸不平的自然环境中工作。
二、带有轮子或者履带的模块串连，运动直接由轮子、履带驱动或蛇体内的行波传播产生。目前此类蛇形机器人的代表机构有主动索状机构和变几何桁架结构，见图2-2。
图2-1 链状蛇形机器人 图2-2 轮状蛇形机器人
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