与传统的轮式和腿式机器人相比,蛇形机器人依靠身体的摆动获得与地面的摩擦力而前行,更能适应崎岖地面及沙土等松软地面。另外,蛇形机器人具有颀长的体态,超冗余自由度的身体结构使其能够以多种步态运动,在应对复杂地形和狭窄环境方面具备一定优势。所以蛇形机器人在灾难救援和环境勘察方面具有广阔的应用前景。水陆两栖蛇形机器人以其优越的防水性能和水下运动能力,比传统的陆地蛇形机器人更能适应各种复杂环境如浅滩沼泽、核电站等,因而具有更加重要的研究价值和研究意义。　　 本论文的研究内容是围绕国家“863”计划资助项目“水陆两栖蛇形机器人的研究”展开的。立足于研制一种新型水陆两栖蛇形机器人,使其具有灵活的陆地和水中运动能力,并针对水陆两栖蛇形机器人的环境适应运动做出深入研究。研究内容主要包括水陆两栖蛇形机器人系统的研制、水陆两栖蛇形机器人的基于启发式思想的三维步态产生方法研究、蛇形机器人螺旋步态的运动性能研究、水陆两栖蛇形机器人陆地和水下环境适应性步态的运动性能研究等。具体的研究内容如下:　　 1)蛇形机器人步态实验平台及水陆两栖蛇形机器人系统的研制。蛇形机器人的步态实验平台为一台二维模块化蛇形机器人和一台三维模块化蛇形机器人,本文利用这两个平台对水陆两栖蛇形机器人的步态产生算法进行初步研究和验证。水陆两栖蛇形机器人作为本文的主要实验平台,在防水密封和水陆运动的灵活性方面具有很高要求。针对这些需求,以耦合驱动单元作为水陆两栖蛇形机器人模块的关节以保证整体样机的灵活运动;采用一种新型的关节密封机构设计,在确保样机防水功能的同时,不削减关节的固有运动空间;在样机每个模块的周身均匀布置8个轮桨机构以增强机器人的扭转和翻滚能力,从而使机器人的三维步态更加多样化和流畅化,同时轮桨一体化的设计改善了机器人的划水能力。水陆两栖蛇形机器人的控制系统采用基于模块化控制单元的分布式控制模式。机器人头部装有CCD摄像头,可通过无线传输装置实时传回所探查到环境的影像信息。　　 2)水陆两栖蛇形机器人的基于启发式思想的三维步态产生方法研究。针对蛇形机器人的超冗余结构给其步态产生带来的困难,提出一种基于启发式思想的蛇形机器人三维步态产生方法。首先由简化的Serpenoid曲线(蛇形曲线)得到蛇形机器人的基本的二维步态,蜿蜒步态和行波步态;对蛇形机器人的水平面运动和竖直面运动进行复合得到机器人的三维运动雏形;继而通过实验获取基本二维步态的控制规律和运动性能,以此作为启发将三维运动的雏形进化为各种三维步态。通过对陆地蛇形机器人的实验验证了蛇形机器人三维步态的产生方法,并得到了各种三维步态的运动性能。作为蛇形机器人三维步态中的一种特殊构型步态,螺旋步态在杆状物体攀援、管内探查等方面具有重要的应用前景。在分析螺旋步态的研究现状的基础上,由启发式的三维步态产生方法,得到一种新的螺旋步态的产生方法。通过实验得到螺旋步态的运动性能与相应控制参数的关系。采用D-H方法建立螺旋步态的空间运动学模型并得到螺旋步态的空间构型与相应控制参数之间的量化关系,对螺旋步态的实际应用具有重要的参考价值。　　 3)水陆两栖蛇形机器人的陆地和水下步态以及环境适应运动控制研究。应用本文提出的基于启发式思想的三维步态产生方法得到水陆两栖蛇形机器人的多种陆地和水下步态,包括蜿蜒步态、行波步态、侧向蜿蜒步态、U形翻滚步态、S形翻滚步态以及螺旋翻滚步态。通过实验得到水陆两栖蛇形机器人各种步态的陆地及水下的运动性能,以及步态性能与环境适应之间的关系。在水陆两栖蛇形机器人的水中运动能力方面,通过实验验证了其水中前进、后退及转弯能力。对水陆两栖蛇形机器人来说,上浮和下潜步态是其改变在水中垂直方位的唯一途径。本文提出一种逐节升降俯仰方向上关节高度的方法,成功实现水陆两栖蛇形机器人的上浮和下潜运动步态,从而提高了水陆两栖蛇形机器人的水中机动性能并满足一定的环境适应要求。