蛇形机器人结构简介

探 索 生 物 学 、 仿 生 学 、 新 材 料 、 智 能 控 制 等 方面 深 刻 机 理 。开 展 多 学 科 交 叉 领 域 的 技 术 研 究 ， 通 过 综 合 实验 平 台 ， 推 动 机 械 设 计 、 传 感 器 技 术 、 伺 服 控制 、 人 工 智 能 、 计 算 机 科 学 等 技 术 发 展 。从 事 繁 重 劳 动 、 危 险 作 业 、 延 伸 人 类 大 脑 与 四肢 、 医 疗 康 复 等 ， 服 务 于 社 会 。研 究 意 义 手 脚 ， 扑 翼 ， 游 动 ， 蠕 动 什么是微小型仿生机器人技术？没有严格定义模仿自然界动物与人的行为，基于微小型机电系统设计，研究机构、感知、控制与交互的机器人技术。微小型，尺寸相对较小，低功耗，高性能，微机电系统设计仿生，模仿自然界动物与人机器人，帮助人类完成搬运、焊接、装配等任务的可编程控制机械装置或系统，希望具备感知、规划、控制、交互的功能定义 发 展 趋 势l仿 生l多 样l应 用 日 本 京 都 大 学 研 制 的蛇 形 搜 救 机 器 人 “ 莫 伊 拉 ”l仿 生 机 构 日 本 东 京 工 业 大 学 研 制 的废 墟 搜 索 机 器 人 (1)蛇 形 机 器 人 机 构 研 究生 物 蛇 研 究 蛇 的 肌 肉 骨 骼简 化 模 型 蛇 的 肌 肉 骨 骼结 构 生 物 蛇 蛇 形 机 器 人 单 自 由 度 关 节 模 块关 节 模 块 设 计 相 邻 关 节 模 块 连 接 示 意 图蛇 形 机 器 人 机 构 的 构 成 （ 2） 蛇 形 机 器 人 运 动 控 制 方 法 研 究 蛇 可 以 做 多 种 动 作 来 适 应 它 所 处 的 环境 ， 但 大 体 上 可 分 为 四 种 步 态 ： 蜿 蜒 运 动 直 线 运 动 伸 缩 运 动 侧 向 运 动 蜿 蜒 运 动 生 物 蛇 的 蜿 蜒 运 动 直 线 运 动 生 物 蛇 的 直 线 运 动 伸 缩 运 动 生 物 蛇 的 伸 缩 运 动 侧 向 运 动 生 物 蛇 的 侧 向 运 动 )( yawi )( pitch i 蛇 形 机 器 人 运 动 示 意 图 (a)平 面 蜿 蜒 运 动 平 面 蜿 蜒 运 动 是 通 过 控 制 关 节 模 块 水 平 轴 的 关 节保 持 直 线 ， 而 垂 直 轴 的 关 节 呈 正 弦 变 化 产 生 ； 采 用的 算 法 公 式 为 ： lKinKsLKnKs nnni 10 )22sin()sin(2)( (b)侧 向 运 动 侧 向 运 动 是 控 制 关 节 模 块 的 垂 直 轴 （ yaw轴 ） 的 关节 和 水 平 轴 （ pitch轴 ） 的 关 节 都 呈 正 弦 变 化 ， 两 个 曲线 之 间 有 一 个 相 位 差 ； 采 用 的 算 法 公 式 为 ： lKinKsLKnKs lKinKsLKnKs nnni nnni 10 10 )22sin()sin(2)( )22sin()sin(2)( (c)伸 缩 运 动 伸 缩 运 动 方 式 可 以 通 过 控 制 它 的 垂 直 轴 （ yaw轴 ）的 关 节 保 持 直 线 ， 而 水 平 轴 （ pitch轴 ） 的 关 节 呈 正 弦变 化 实 现 。 它 在 垂 直 面 内 运 动 ， 适 合 穿 越 狭 小 的 管 道 。 lKinKsLKnKs nnni 10 )22sin()sin(2)( (d)翻 滚 运 动 翻 滚 运 动 是 控 制 关 节 模 块 的 垂 直 轴 的 关 节 和 水 平 轴的 关 节 变 化 ， 采 用 的 算 法 公 式 为 ： lKsLKnKs lKsLKnKs nni nni 10 10 )2cos()sin(2)( )2sin()sin(2)( （ 3） 分 布 式 控 制 系 统 和 微 型 嵌 入 式 控 制 器 的 研 究 蛇 形 机 器 人 原 理 样 机 控 制 系 统 结 构 (a)原 理 样 机 控 制 系 统 蛇 形 机 器 人 控 制 系 统 结 构主 控 单 元执 行单 元 CAN总 线执 行单 元 执 行单 元 . 执 行单 元 执 行单 元执 行单 元监 控 系 统 机 器 人控 制 系 统 (b)分 布 式 控 制 系 统 结 构 已 应 用 在 : 拟 人 机 器 人 星 球 探 测 机 器 人 (c)微 型 嵌 入 式 控 制 器 的 研 究 特 点 ： 模 块 化 体 积 小 功 能 全 功 耗 低 现 场 可 编 程 （ 4） 地 面 特 征 识 别 技 术 的 研 究传 感 器压 杆 传 感 装 置 关 节 模 块 传 感 装 置 安 装 示 意 图 底 面识 别 平 坦 的 硬 地 面 、 软 土 、 沙 地 (5)基 于 GPS的 蛇 形 机 器 人 定 位 方 法 的 研 究 对 于 用 于 野 外 工 作 的 蛇 形 机 器 人 ， 定 位 是 个 关 键问 题 。 基 于 GPS的 定 位 方 法 是 目 前 应 用 最 广 的 方 法 。目 前 实 验 定 位 精 度 15米 我 们 在 探 索 应 用 我 国 的 北 斗 导 航 定 位 系 统 进 行 定位 的 方 案 。 天 线 处 理 单 元 微 处 理 器 GPS进 行 定 位 的 原 理 图 （ 6） 应 用 研 究监 控 站操 作 台监 视 器 传 感 器蛇 形 机 器 人作 业 单 元 蛇 形 机 器 人 作 业 系 统 框 图 应 用 车 底 探 查 实 验l结 合 国 家 反 恐 防 暴 的 需 求 理 论 方 法 问 题 ， 仿 生 静 态 与 动 态 模 型 ， 复 杂 模 型 计 算 方 法 ， 基 于传 感 器 变 结 构 方 法 ， 往 往 是 非 线 性 、 非 定 常 问 题 ， l 多 自 由 度 灵 巧 机 构 ， 运 动 学 与 动 力 学 ， 冗 余 与 柔 性 ， 高 效 驱 动 装置 ， l 感 知 与 模 式 识 别 技 术 ， 内 部 姿 态 ， 外 部 环 境 ， 距 离 、 力 觉 、 触 觉等 ， 特 别 是 视 觉 问 题 ， l 嵌 入 式 控 制 技 术 ： 微 小 型 硬 件 平 台 ， 高 可 靠 性 软 件 系 统 ， 高 性 能实 时 学 习 技 术 ， 基 于 传 感 器 的 群 体 行 为 智 能 控 制 技 术 ， l 人 机 交 互 技 术 ， 通 讯 ， 时 延 ， 临 境 与 虚 拟 现 实 ， l 微 小 型 机 电 系 统 设 计 、 加 工 、 装 配 ， l 微 、 仿 、 多 、 遥 、 网 关键技术挑战性研究 方向 主要介绍了微小型仿生技术与机器人基本内涵、研究意义、关键技术、发展趋势。 嵌入式芯片、微机电系统、新材料等方面发展给微小型仿生技术研究带来了机遇。 智能仿生机器人是人类科学研究追求目标，开展这方面研究不仅促进多学科发展，而且广泛应用服务于社会。结束语