本课题的难点主要分为以下几个方面：

（1） 控制器需要同时产生多路 PWM 信号，控制多个舵机同时运动。且各路信 号之间不能相互干扰。

（2） 蛇形机器人的从动轮结构设计。从动轮结构是整个机械结构设计的关键， 既要为机器人提供前向的推进力，有不能产生较大的侧向阻力。

（3） 实现机器人避障功能，需要设计算法确定转弯的方向。文献综述

第二章 蛇形机器人总体方案设计

2。1 引言

作为陆地上的无退脊椎动物，蛇是非常独特的。蛇的运动具有稳定性、鲁棒性， 并且是多种多样的。尽管某些蛇的运动速度可以达到 11km/h，但是大多数蛇的运动 都是比较慢的。某些蛇可以做出一些特定的动作，例如，为了起跳可以把身体弯曲成 垂直的 S 形，然后通过拉伸它们的身体来跳跃。另外有一种蛇可以将自己的身体塑造 成有利于空气动力学的姿态，从树上将自己投掷出去实现空中滑行。

蛇的多种运动步态与其独特的身体结构不无关系。蛇的典型骨骼构造如图 2-1 所示，它由脊椎骨、肋骨和颅骨组成。一条蛇有 130～500 个脊椎骨，肋骨固定在每 根脊椎骨上。这些脊椎骨组成了一纵列的活动关节，贯穿了蛇的整个身体。两节脊椎 骨通过一个球窝结构连接在一起，这使得脊椎骨之间的相对旋转运动非常有限，垂直 轴转角为 10°～20°,而水平轴的相对旋转运动只有几度。这种限制似乎和蛇的灵活 运动相矛盾，但事实是，蛇的灵活运动就是由许多脊椎骨的小的运动总和而产生。脊 椎的这种机械式的连接结构对于仿生机器人的研发具有借鉴意义，我们从生物蛇的骨 骼结构中获得灵感，设计了以下的机械机构。

图 2-1 生物蛇的骨骼结构 图 2-2 蛇的脊椎球窝结构

2。2 蛇形机器人方案设计

本课题主要借助于北京博创公司推出的创意之星套件进行结构设计。根据研究步 态的需要，本文设计了两种结构形式的蛇形机器人，分别用于实现二维和三维的运动。

二维蛇形机器人可以完成平面蜿蜒运动及避障功能，控制相对简单。三维结构虽然会 使某些自由度在运动过程之中显得冗余，但为了适应地形的变化，充分体现生物蛇的 特点，这种设计结构是必须的。

2。2。1 机器人身体关节的设计

本文采用单自由度关节设计，在身体模块的底部安装从动轮，以实现各向异性的 地面摩擦特性。蛇形机器人的身体模块之间通过花键槽用螺栓固联，理论上可以实现 关节间的多角度连接，出于计算以及控制方便的考虑，这里采用两种重构方式：（1） 所有模块的连接方向相同，即模块间的转轴相互平行，蛇形机器人只具备二维运动能 力；（2）当所有模块呈 90°角交错连接时，即相邻模块的转轴相互垂直，蛇形机器 人具有三维运动的能力。

（a） 二维运动蛇形机器人 （b）三维运动蛇形机器人 图 2-3 蛇形机器人关节设计示意图

蛇形机器人在本质上属于多连杆串联铰接机构，每个关节为最基本的二连杆铰链 机构，可引入平面的一个自由度（通常一个舵机引入一个自由度）。机器人共有 7 个

相同的关节，也即有 7 个自由度（不包括位置的两个自由度），满足设计要求。对于 二维蛇形机器人，含有头部模块和尾部模块各一个，身体模块五个；对于三维蛇形机 器人，头部模块一个，尾部模块三个，身体模块三个。来:自[优E尔L论W文W网www.youerw.com +QQ752018766-

蛇形机器人关节由一个舵机及配件、一个舵机固定支架和一个 U 型支架组成（三 维机构如图 2-4 所示）。每个关节可控制在 0°～300°的角度范围内转动（舵机模式 下），通常以 150°角为舵机平衡位置，可实现左右各 150°的角度偏置。在本方案中， 考虑到运动轨迹的平滑性，编程时只使用左右各 75°，可以通过舵机调试板对舵机