蛇形机器人具备生物蛇身上的许多优点,能够帮助人们完成复杂的工作,可以被应用于抢险救援、林业、军事、民用和医疗等领域中来。它是仿生机器人研究领域里的一个重要分支,分为刚性和软体两大研究方向。当前,蛇形机器人在同外界环境作用时适应度不高,应用普及程度很低。例如在抢险救援、灌木林地等野外复杂环境中工作时难以展现灵活的变化姿态,并没有被广泛应用。鉴于此,本文开展了关于蛇形机器人的多种结构驱动设计与研究,主要研究内容如下:(1)介绍了三大结构(刚性、刚-柔、柔性)类型蛇形机器人的研究现状,初步分析了生物蛇脊椎骨构造原理和运动形式,并简要剖析了骨骼肌的基本结构和驱动机制。叙述了相关智能软材料和传感器及软驱动器的原理,调研了水凝胶软材料作为后续柔性蛇形机器人的设计基础,总结研究了三维模型互联器件技术。(2)针对三种结构类型的蛇形机器人,分别开展了其结构设计和驱动设计。首先在刚性蛇形机器人方面,实现了蛇头、蛇身和蛇尾的可靠连接,并采用电机驱动提供动力的方式研究了相关控制方法。随后把刚性结构设计扩展到刚-柔结构设计,增加了蛇形机器人的横向收缩功能,并采用二维光点位置检测传感器对其进行了反馈控制逻辑设计。在柔性蛇形机器人方面,设计了细小的纤维化结构,构建了柔性致动器的三维模型,并研究了其驱动方法。(3)针对刚性蛇形机器人,开发了APP软件,并通过蓝牙、WiFi与控制系统进行通信,实现对蛇形机器人进行实时监测、运动步态的控制、多传感器的融合等,为后续软体蛇形机器人的控制平台设计积累了初期经验。在VoxCAD软件下,分析探讨了单根纤维的仿真运动,重点开展了驱动器模型的仿真工作,采用了一种简单便于分析的长方体构型来简化模拟设计的柔性驱动器。本文在蛇形机器人的研究方向上结合智能软材料等相关技术的发展,提出了新的驱动设计构想,为软体机器人在结构和智能材料结合的仿生学方向上的发展提出了更高追求目标。