可在狭窄管道行走的蛇形机器人机械结构设计开题报告

1. 研究目的与意义

在特种环境下，如发生山体滑坡，地震废墟，火灾搜救现场，核电站辐射检又或者在现代作战中都要求人员不能直接进行参与的高危环境下，特种机器人的作用便凸显而出，机器人低成本，高效率。蛇形机器人是一种相对于传统靠轮子或履带，平面运动内移动的机器人更在这种恶劣环境内适合工作，传统依靠轮子或履带移动的机器人在凹凸不平的环境内工作效率低下而在更加特殊的环境下更显得无能为力，而蛇形机器人因其特殊的运动方式使其更能够在狭窄的环境下，路面疏松的环境下进行工作，与这种特殊的运动方式相适应的或者说给这种特殊运动方式提供基础的便是其机械结构，因此蛇形机器人机械机构就成为了研究的重点得以展开。

2. 课题关键问题和重难点

仿生蛇机器人采用多个关节模块的连结，以实现自然界蛇的蜿蜒运动，侧向运动，这两种运动方式可以实现三维空间内自由运动，所以难点在于这种关节模块的结构设计，以及各个关节之间的连接方式的结构设计

3. 国内外研究现状（文献综述）

从的题目目前收集到的资料来看，国外早在20世纪40年代，英国剑桥大学gray教授就已经提出了仿生蛇机器人的原初概念[7]，但在同世纪70年代才设计研究出世界上第一台仿生蛇机器人样机，命名为acm-Ⅲ（active cord mechanism Ⅲ）由东京大学hirose教授团队研发[1]，该蛇形机器人由整体结构是由多个模块串联而成，且每个模块之间以转动副连结且各转动副的轴线均相互平行且垂直于纵轴线，各个模块底部均安装从动轮，该机器人仅能够实现二维运动，无法实现三维运动，但此后hirose团队继续深入该领域，acm-Ⅲ的升级版acm-r3[2] 和acm-r4[3]，与前者相比acm-r3也采用多个模块串联而成，但对于模块间的连接方式稍了做改进，相对于原先各转动副之间轴线都是相互平行的连接方式，改进为相邻转动副的轴线相互垂直，且均垂直于蛇形纵轴线，这种结构的设计使得acm-r3具备了有限的三维运动能力，acm-r4是在acm-r3的基础上增加了防水，防潮湿的套管以适应其在潮湿环境下工作，acm-r5[4]蛇形机器人hirose团队把眼光聚焦到了潜水领域，它是一款水陆两栖机器人，在其关节部位以及关节处进行了波纹管密封使其可以在陆水两路实现复杂的三位运动。

国内对于蛇形机器人的研究起步较晚，最具代表性的是沈阳自动化所的在蛇形机器人领域的研究颇有成效，为中国蛇形机器人研究提供了坚实的基础，叶长龙，马书根，李斌，等人团队研制出了巡视者Ⅱ[5]，巡视者Ⅲ[]6，巡视者Ⅱ的连接方式采用万向节的连接方式，万向节连结构型具有完整的三维空间的运动灵活度，能够满足现实环境中复杂场景，但是结构相对复杂，对于控制的要求很高，巡视者Ⅲ是一款水陆两栖机器人，对连接处和模块进行了密封，能够在水路两路进行三位运动。

[1]hirose s. biologically inspired robots[j]. snake-like locomotors and manipulators,1993

4. 研究方案

综合国内外在蛇形机器人领域的研究现状，蛇形机器人相对于以往的轮式或履带式平面运动机器人具有更多的优点，灵活性好，对于现实环境的适应性更强。而蛇形机器人的显著特点是均是由多个关节模块串联而成，以及蛇形机器人的模块之间的连接方式决定了其运动能力，现阶段科研工作者对于蛇形机器人的连接设计方案大概有这这几种：平行连结，正交连结，万向节连结，。

平行连结：机器人的模块之间使用转动副相连，且各转动副的轴线之间相互平行，优点是模块设计简单，易控制，成本低，但其缺点也非常明显只能进行类似生物蛇的蜿蜒运动，仅能完成在二维运动。

正交连结；和万向节连接一样都是先行大多数蛇形机器人采用的连接方式，单元模块之间仍然使用转动副的连接方式，但相邻转动副的轴线相互垂直，可以实现三维运动但是灵活度和活动角度受限。

5. 工作计划

总的来说多看论文，多了解别人的制作方案。

2-3月： 多看论文，多看别人的设计 争取有基本设计出初模，撰写论文

3-4月：写论文，提交论文答辩