文档介绍：机电工程技术!""# 年第$% 卷第&! 期研究与开发
蠕动机器蛇的仿生设计和运动分析
徐亮王兴松
东南大学机械工程学院江苏南京
摘要通过对自然界中蛇的骨架结构和运动机理进行分析提出了一种可以实现三维运动的机械结构。同时在此基础上建立了
机器蛇行波运动的运动学模型规划了机器蛇的蠕动步态。并对理论步态进行了合理的近似进而实现了机器蛇的蠕动前进。此
外通过试验证明了其机械结构和运动模型的可行性。
关键词机器蛇行波运动四杆机构仿真
中图分类号文献标识码文章编号
前言由这些微小关节的微小相对运动累加而成的。这里以简

自古以来自然界就是人类各种科学技术原理及重大单的结构来最大限度的近似模仿蛇的骨架如图。
发明的源泉。人类运用其观察、思维和设计能力开始探一个关节绕与地面平行且与身体轴线垂直的俯仰轴的转

索和模仿大自然中生物的运动和功能理解和获取有利的动相邻的另一个关节绕与地面和体轴线都垂直的偏转
运动和控制原理促使了仿生学的出现和发展。从鸟到飞轴的转动。
机从海豚到声纳从萤火虫到人工冷光从电鱼到伏特
电池都充分体现了生物系统研究对科学技术发展的重
大贡献。

其中机器蛇研究是仿生机器人技术中较为活跃的分图蛇骨架的简化模型
支之一。它是根据蛇的机构和运动机理而制作的仿生机器

人。机器蛇由于低重心、多关节、多自由度、多冗余度等机器蛇的机械结构

特点能在各种复杂的环境下工作。虽然目前机器蛇的蛇形机构采用主动关节驱动方式。利用关节的转动
研究尚处在实验阶段但机器蛇有广泛的应用前景。机器使身体收缩和伸张以实现各种运动步态。为了便于设计和

蛇可以用于在有辐射、有粉尘、有毒及战场环境下执行维护各个关节的结构相同。各个关节以转轴为轴心在

侦察任务在地震、塌方及火灾后的废墟中找寻伤员在伺服舵机的驱动下在平面内作°到°的旋转。相邻

航空航天领域可作为行星表面探测器、轨道卫星的柔性手关节正交连接则一个关节在水平偏转方向旋转另一个

臂在狭小和危险条件下探测和疏通管道工业上则可应关节在竖直俯仰方向上旋转结合起来就可以实现三维空

用于多冗余度柔性机械手臂、管道机器人等。间内的运动。如图、所示。

机器蛇的机械结构设计机器蛇采用三维结构后既可以实现蠕动、抬头等二
维运动在狭小管道中进行运动又能实现上楼梯、越
自然界中蛇骨架的简化模型

障、侧向盘旋等三维运动以适应复杂的地面环境。
蛇类是爬行动物无肢进化的顶点它的肌肉和骨骼组
成的关节比较复杂具有多自由度有旋转、移动等多种机器蛇的仿生运动模型

运动功能。每条蛇往往有到根脊椎骨。但每根脊在自然界中的蛇为了适应它所处的环境会采用截然
椎骨的构造十分简单可分为头骨、脊椎骨和肋骨三部不同的运动方式。动物学界将蛇的运动大致分为以下几种

分。每根脊椎骨的突起可以和相邻脊椎骨的凹陷结合形运动方式螺旋运动、蠕动、侧向盘旋运动。本文着重讨

成一个“球铰”。通过“球铰”周围肌肉的伸缩产生关论蠕动运动即行波运动。
节间相对的转动。①行波运动的步态规划
蛇的骨架由多组小型的关节所构成而蛇的运动是行波运动是依靠波在体内传播而产生的。机体