29、蛇形机器人的硬件设计挑战与相关理论证明

蛇形机器人的硬件设计挑战与相关理论证明

1. 蛇形机器人硬件设计挑战

1.1 主动推进与机械复杂度

蛇形机器人运动时会受到摩擦力的阻碍，为了减少摩擦力，可以在机器人身体上引入主动推进装置。例如，Granosik 等人（2006 年）提出的带有主动履带的蛇形机器人，以及 McKenna 等人（2008 年）描述的皮肤驱动机制，都采用了这种方法。然而，这种主动推进方式会显著增加机器人的机械复杂度。理想的解决方案是设计一种具有被动光滑触觉皮肤的蛇形机器人，使其能够像生物蛇一样向前滑行。因为简单的机械结构对于蛇形机器人的未来应用非常重要，它可以提高机器人的可靠性并降低开发成本。

1.2 强健的驱动机制

为了在复杂环境中移动，蛇形机器人通常需要能够抬起身体的部分。这意味着驱动器的强度与机器人重量之间的比例存在一个下限。开发能够最大化这个比例的关节机制是一个重要的设计挑战。此外，在杂乱环境中移动时，驱动器需要能够长时间抵抗环境接触力而不发热。Wright 等人（2007 年）描述的用于蛇形机器人的改进伺服电机就针对这一设计挑战。在杂乱环境中移动时，采用顺应性关节机制是有利的，这也是 Granosik 等人（2006 年）提出的带有主动履带的蛇形机器人使用气动驱动器的动机。不过，如果能够测量机器人身体上的接触力，也可以通过控制器来实现顺应性。

1.3 防尘和防水

为了使蛇形机器人能够在通常干净的实验室环境之外使用，机器人必须能够在有泥土和污垢的环境中正常运行。具备防水性能通常也是一个很大的优势。对蛇形机器人进行防尘和防水处理是一项具有挑战性的任务，特别是当我们还要求机器人具备力传感能力和光滑的外表面时。