8、蛇形机器人运动分析与综合

蛇形机器人运动分析与综合

1. 蛇形机器人的设计与定位

蛇形机器人 Wheeko 专为在平面上进行蛇形机器人运动实验而设计。它由 10 个相同的关节模块组成，每个关节有两个自由度（俯仰和偏航），并且关节模块配备了被动轮，使机器人具有各向异性的地面摩擦特性。

在定位方面，使用 SwisTrack 软件基于特定的校准方法，将标记的像素位置转换为现实世界的位置（单位：厘米）。SwisTrack 估计最大位置误差约为 1.9 厘米，平均位置误差约为 0.6 厘米。通过三个单独标记的位置，可以计算出头部连杆的全局框架坐标 $(x_N,y_N)$ 以及头部连杆的绝对角度 $\theta_N$。结合蛇形机器人头部的位置和方向，以及各个关节角度，就能计算出蛇形机器人的质心位置 $p$ 和绝对连杆角度 $\theta$。为了处理来自三个摄像头的数据，运行了三个独立的 SwisTrack 实例，并开发了自己的软件将每个实例的输出合并为蛇形机器人的最终位置测量结果。

2. 蛇形机器人运动研究的背景与目标

过去几十年里，对蛇形机器人的研究一直在进行。目前，我们对蛇形运动的理解大多基于对生物蛇的实证研究以及基于模拟的蛇形机器人参数关系综合。借助蛇形机器人的数学模型，我们尝试运用非线性系统分析工具来研究其动力学的基本特性，从而加深对蛇形机器人的理解。同时，通过研究机器人的运动方程，推导出蛇形机器人运动的一些有趣特性，这些特性将有助于开发简化模型。

我们还将研究生物蛇中最常见的运动模式——侧向波动。这种运动模式在大多数蛇形机器人文献中都有涉及，并且在后续研究中也会受到重点关注。Hirose（1993）基于对生物蛇的实证研究，提出了一个著名的侧向波动时蛇形形状的数学描