1、罗庆生 罗 霄 乔立军编著版权专有 侵权必究 图书在版编目(CIP)数据 仿蛇机器人的设计与制作/罗庆生,罗霄,乔立军编著.北京：北京理工大学出版社,2019.7(我的机器人创客教育系列)ISBN 978-7-5682-7267-4.仿.罗 罗 乔.仿生机器人-设计-青少年读物仿生机器人-制作-青少年读物.TP242-49 中国版本图书馆 CIP 数据核字(2019)第 142829 号出版发行/北京理工大学出版社有限责任公司社 址/北京市海淀区中关村南大街 5 号邮 编/100081电 话/(010)68914775(总编室)(010)82562903(教材售后服务热线)(010)68948
2、351(其他图书服务热线)网 址/http：/经 销/全国各地新华书店印 刷/保定市中画美凯印刷有限公司开 本/710 毫米 1000 毫米 1/16印 张/13.75责任编辑/张慧峰字 数/260 千字文案编辑/张慧峰版 次/2019 年 7 月第 1 版 2019 年 7 月第 1 次印刷责任校对/周瑞红定 价/58.00 元责任印制/李志强图书出现印装质量问题,请拨打售后服务热线,本社负责调换序言青少年是祖国的未来,科学的希望。以我国广大青少年为对象,开展规范性、系统性、引领性、全局性的科技创新教育与实践活动,让广大青少年通过这些活动,将理论研究与实际应用结合,将动脑探索与动手实践结合,
3、将课堂教学与社会体验结合,将知识传承与科技创新结合,使广大青少年能有效提升创新兴趣,熟悉创新方法,掌握创新技能,增长创新能力,成为我国新时代的科技创新后备人才,意义重大,影响深远。在形形色色的青少年科技创新教育与实践活动中,机器人科普教育、科研探索、科技竞赛别具特色,作用显著。这是因为机器人是多学科、多专业、多技术的综合产物,融合了当今世界多种先进理念与高新技术。通过机器人科普教育、科研探索、科技竞赛,可以使广大青少年在机械技术、电子技术、计算机技术、传感器技术、智能决策技术、伺服控制技术等方面得到宝贵的学习与锻炼机会,能够有效加深青少年对科技创新的理解能力,并提高其实践水平,让他们尽早爱科学
4、、爱创新。了解机器人的基本概念,学习机器人的基本知识,掌握机器人的设计技术与制作技巧,提升机器人的展演水平与竞技能力,将使广大青少年走近我国科技创新的最前沿,激发青少年对于科技创新尤其是机器人创新的兴趣与爱好,挖掘青少年开展科技创新的潜力,夯实青少年成为创新型、复合型人才的理论与技术基础。“我的机器人创客教育系列”丛书重点讲述了仿人、仿蛇、仿狗、仿鱼、2 仿蛛、仿龟等六种机器人的设计与制作,之所以选择了这六种仿生机器人作为本套丛书的主题,是出于以下考虑：在仿生学一词频繁在科研领域亮相时,仿生机器人也逐步进入了人们的视野。由于当代机器人的应用领域已经从结构化环境下的定点作业,朝着航空航天、军事侦
5、察、资源勘探、管线检测、防灾救险、疾病治疗等非结构化环境下的自主作业方向发展,原有的传统型机器人已不再能够满足人们在自身无法企及或难以掌控的未知环境中自主作业的要求,更加人性化和智能化的、具有一定自主能力、能够在非结构化的未知环境中作业的新型机器人已经被提上开发日程。为了使这一研制过程更为迅速、更为高效,人们将目光转向自然界的各种生物身上,力图通过有目的的学习和优化,将自然界生物特有的运动机理和行为方式,运用到新型仿生机器人的研发工作中去。仿生机器人是一个庞大的机器人族群,从在空中自由飞翔的“蜂鸟机器人”和“蜻蜓机器人”,到在陆地恣意奔跑的“大狗机器人”和“猎豹机器人”,再到在水下尽情嬉戏的“
6、企鹅机器人”和“金枪鱼机器人”;从肉眼几乎无法看清的“昆虫机器人”到可载人行走的“螳螂机器人”,现实世界中处处都可看见仿生机器人的身影,以往只有在科幻小说中出现的场景正在逐步与现实世界交汇。仿生机器人的家族成员们拥有五花八门的外观形貌和千奇百怪的身体结构,它们通过不同的机械结构、步态规划、行动特点、反馈系统、控制方式和通信手段模拟着自然界中各种卓越的生物个体,同时又通过人类制造的计算机、传感器、控制器以及其他外部构件,诠释着自己来自实验室的特殊身份。如今,这支源于自然世界和科学世界混合编组的突击部队正信心满满,准备在人类生活中大显身手。时至今日,仿生机器人已经成为家喻户晓的“大明星”,每一款造
7、型新颖、构思巧妙、功能独特、性能卓异的仿生机器人自问世之时起都伴随着全世界的惊叹和掌声,仿生机器人技术的迅速发展对全球范围内的工业生产、太空探索、海洋研究,以及人类生活的方方面面产生越来越大的影响。在减轻人类劳动强度,提高工作效率,改变生产模式,把人从危险、恶劣、繁重、复杂的工作环境和作业任务中解放出来等方面,它们显示出极大的优越性。人们不再满足于在展示厅和实验室中看到机器人慢悠悠地来回走动,而是希望这些超能健儿们能够在更加复杂的环境中探索与工作。北京理工大学特种机器人技术创新团队成立于 2005 年,是在罗庆生教授和韩宝玲教授带领下,长期不懈地走在特种机器人科技创新探索、科研任务攻关道路上,
8、充满创新能量、奋斗不息的一支标兵团队。该创新团队的主要研究领域为光机电一体化特种机器人、工业机器人技术、机电伺服控制技仿蛇机器人的设计与制作3 术、机电装置测试技术、传感探测技术和机电产品创新设计等。目前已研制出仿生六足爬行机器人、新型特种搜救机器人、多用途反恐防暴机器人、新型工业码垛机器人、新型轮腿式机器人、新型节肢机器人、新型工业焊接机械臂、陆空两栖作战任务组、外骨骼智能健身与康复机、“神行太保”多用途机器人、履带式壁面清洁机器人、小型仿人机器人、“仿豹”跑跳机器人、先进综合验证车、仿生乌贼飞行机器人、履带式变结构机器人、制导反狙击机器人、新型球笼飞行机器人等多种特种机器人。该团队在承研某
9、部“十二五”重点项目 新型仿生液压四足机器人过程中,系统、全面、详尽、科学地开展了四足机器人结构设计技术研究、四足机器人动力驱动技术研究、四足机器人液压控制技术研究、四足机器人仿生步态技术研究、四足机器人传感探测技术研究、四足机器人系统控制技术研究、四足机器人器件集成技术研究、四足机器人操控装备技术研究,在有关液压四足机器人的仿生研究、机构设计、结构优化、机械加工、驱动传感、液压伺服、系统控制、人工智能、决策规划和模式识别等高精尖技术方面取得一系列创新与突破,从而为本套丛书的撰写提供了丰富的资料和坚实的基础。本套丛书的主创人员在开发高性能、多用途仿生机器人方面具有丰富的研制经验和深厚的技术积累
10、,由罗庆生、韩宝玲、罗霄撰写的专著 智能作战机器人 曾获“第五届中华优秀出版物奖图书奖”称号,这是我国出版物领域中的三大奖项之一,表明其在科技领域,尤其是在机器人领域中的实力与地位。本丛书由罗庆生、罗霄担任主撰;蒋建锋、乔立军、王新达、陈禹含、郑凯林、李铭浩等人参与了本套丛书的研究与撰写工作,并担任各分册的主创人员。在本套丛书的研究与写作过程中,得到了北京市教委、北京市科委等部门相关领导的极大关怀,得到了北京理工大学出版社的热情帮助,还得到了许多同仁的无私支持。值本书即将付印出版之际,谨向所有关心、帮助、支持过我们的领导、专家、同事、朋友表示衷心的感谢!少年强则中国强,创新多则人才多。让机器人
11、技术助圆我国广大青少年的“中国梦”!作者2019 年 7 月于北京序言目录CONTENTS第 1 章 我能像蛇一样在丛林里穿梭11.1 给你讲讲我的历史11.1.1 仿生机器蛇的诞生11.1.2 仿蛇机器人的发展41.1.3 仿生蛇的研究内容131.2 我没有腿,但我超级能爬141.2.1 蛇的蜿蜒运动141.2.2 蛇的蠕动运动141.2.3 蛇的直线运动151.2.4 蛇的侧向运动151.2.5 蛇的翻滚运动161.2.6 蛇的攀爬运动161.3 我的名字叫仿蛇机器人17第 2 章 我身体的由来182.1 我的动力源182.1.1 直流电机192.1.2 舵机212.1.3 为我选择合适的
12、舵机232 2.2 多彩的形态262.2.1 蛇的基本结构262.2.2 蛇关节的连接方式272.2.3 关节连接的选择302.3 灵活的身躯302.3.1 主流加工生产工具302.3.2 三维实体设计软件的应用372.3.3 仿蛇机器人模块化设计方案542.3.4 仿蛇机器人单关节的设计552.3.5 辅助结构的设计652.3.6 外购件的实体造型682.3.7 仿蛇机器人的头部设计762.3.8 仿生蛇模型的组装81第 3 章 瞧瞧我的感官883.1 我的眼睛有秘密893.1.1 视觉系统893.1.2 超声波测距传感器953.2 我的触觉遍全身993.2.1 温湿度传感器993.2.2
13、红外线测距传感器1023.2.3 触觉传感器1043.3 身体内部隐形的器官1063.3.1 蛇类的相互通信1063.3.2 无形的能量源1103.3.3 定位系统1163.3.4 姿态检测模块120第 4 章 快把我制作出来吧1244.1 准备机器人组装的材料1254.1.1 组装仿蛇机器人的相关工具1254.1.2 激光切割零件的加工1304.1.3 购买零件的准备1544.2 帮我组装躯干1554.2.1 外购零件的组装156仿蛇机器人的设计与制作3 4.2.2 单个关节的装配1584.2.3 整体躯干的组装1604.3 拼到一起看一看161第 5 章 请你教我思考1635.1 我的大脑
14、1645.1.1 控制器的选择1645.1.2 大脑工作的准备材料1695.2 动脑想一想1805.2.1 眼睛的控制(二极管)1805.2.2 舵机的测试1865.3 调整姿态,让我爬一爬1885.3.1 动脑思考爬行1885.3.2 请你帮我恢复初始的姿态1955.3.3 请你帮我选择爬行方式1975.3.4 请你对我进行控制199参考文献202目录第1章我能像蛇一样在丛林里穿梭本章首先来探讨一下国内外研究机构对仿蛇机器人的研发历史,然后对人们已经开发出的不同种类仿蛇机器人进行介绍,进而再对仿蛇机器人的发展方向进行分析,加深大家对仿蛇机器人的兴趣,掌握国内外仿蛇机器人的发展趋势,并指导学生
15、在相关技术领域开展研究与探索;其次,对生物蛇的身体构造、运动方式、控制机理进行分析,启发青少年学生理论联系实际,动脑结合动手,设计仿蛇机器人合理的结构,并了解仿蛇机器人在运动控制过程中存在的难点和重点;最后,对本书撰写的主要意义和重点内容进行概况总结,方便学生从整体把握本书的内容。1.1给你讲讲我的历史1.1.1 仿生机器蛇的诞生随着科学技术的日益进步和人们生活水平的不断提高,机器人作为 20 世2 纪人类的伟大发明之一,已经逐步进入了日常的生产和生活领域,例如海洋勘探领域中的水下机器人(见图 1-1),太空探索领域中的火星探测车(见图 1-2),流水线上代替工人生产的工业机器人(见图 1-3
16、)。现在研制的机器人与传统的机器人相比,发生了质的变化,不仅仅只是简单地把人类从繁重、危险、枯燥、重复的劳动中解放出来,而是它们越来越像“人”,具有了很高的智能(见图 1-4)。图 1-1 水下机器人图 1-2 火星探测车图 1-3 工业机器人图 1-4 步行机器人目前,人们对机器人的研究重点已经从在制造环境下使用的工业机器人转向在非结构环境下使用的自主作业机器人,例如星际探索机器人、军事侦察机器人、管道疏通机器人、疾病治疗机器人、抢险救灾机器人等的开发1。为了提升机器人的工作能力和应用范围,科学家和工程师们纷纷把目光转向了自然界中形形色色的生物。地球上的各种生物种类难以详计,其数量更是难以尽数。每种生物个体在长期进化中形成了各自独特的生命体态。例如展翅高翔的鸟类、自在巡游的鱼类、尽展生命活力的昆虫等。同时,每个生物物种都可以适应自己所处的环境,并不停地向着完美的生命体系进化2。于是将一些对人类颇有助益的生物特征与机器人功能需求相互结合的方法就成为促进现代机器人技术不断创新的重要途径,各国的科学家和工程师们研制出许许多多性能独特的仿生机器人,其中就有仿鱼机器人、仿壁虎机器人、仿蛇机器人
