1. 研究目的与意义
蛇形机器人是由多个关节模块组成的高冗余度系统，能够适应复杂多变的环境，可以广泛应用于航空航天、军事侦察、工业现场等众多领域。在航空航天领域，蛇形机器人利用自身柔软的身形可以通过攀爬缠绕等方式对空间站进行检测与维护。在军事方面，蛇形机器人可以利用其隐蔽性强的特点对敌方进行侦查监视，还可以应用于核武器的生产与维护等可能会对人体产生辐射或其他危害的场所。在民用领域，蛇形机器人的应用也十分广泛，蛇形机器人可以利用其身体细长、所需运动空间小的特点在管道内部执行探测任务，在地震等灾难发生后蛇形机器人可以在废墟内部穿梭，寻找幸存者。
本课题以蛇形机器人为研究对象，通过分析生物蛇的骨骼结构特点与运动形式，设计一种可以攀爬楼梯的蛇形机器人，使其具有质量轻、结构可靠以及运动灵活的特点。对蛇形机器人的机械结构进行设计，从而提高蛇形机器人在攀爬过程中的越障能力。
2. 课题关键问题和重难点
关键问题：
（1）所设计的蛇形机器人采用的模块化机械连接结构，驱动系统、传动结构等，以及关键结构部件所选择的材料，这些会直接影响蛇形机器人功能的实现。
3. 国内外研究现状（文献综述）
国外蛇形机器人的研究现状
shigeo hirose教授较早开展了蛇形机器人的研究，研制出了acm系列的蛇形机器人。shigeo hirose团队研制的acm-11131是世界上首台蛇形机器人样机，如图 1-1 所示。该蛇形机器人有20个相互平行连接的关节模块组成，为了使机器人在运动过程中所受到的沿机体行进方向切向的摩擦力小于沿机体行进方向法向的摩擦力，每个关节模块底部均装有被动轮，acm-iii全长2m总重28kg，机体依靠各个关节之间的相对转动，产生蛇体前进的推动力，acm-iii可以实现平面蜿蜒运动，运动速度可达0.5m/s[1]。
shigeo hirose教授在2001年研制出了蛇形机器人acm-r3，如图1-2所示。acm-r3由20个关节模块组成，相邻关节之间采用正交连接的方式，可以实现三维运动[2].acm-r3的被动轮没有像acm-iii那样安装在机器人底部，而是安装在关节的两侧，这样的安装方式可以增大机器人关节的转动范围，而且可以阻挡杂物进入机器人关节内部，蛇形机器人的运动也更加平稳。acm-r3全长1.8m重12kg，运动速度可以达到1m/s，头部关节最大抬起高度可达500mm[3]。
4. 研究方案
设计方案
本文所设计的蛇形机器人的关节模块主要由舵机、舵盘、舵机连接件、蛇身壳体、被动轮及滚珠轴承等部分组成。舵机固定在舵机连接件上，舵机的输出轴通过舵盘与蛇身相连，从而带动蛇形机器人关节产生相对转动。关节模块由两个转动方向相互垂直的转动自由度组成，蛇形机器人由九个关节模块组成，形成一个高冗余度的结构体。在本次设计的机器人底部安装有被动轮，被动轮的存在产生较大的法向摩擦力，避免蛇形机器人在运动过程中产生法向滑移，被动轮还可以将蛇形机器人在沿运动方向所受到的滑动摩擦转变为滚动摩擦，有效减小了蛇形机器人沿运动方向所受到的摩擦力。初步确定本文所设计的可以攀爬楼梯的蛇形机器人结构示意如图1所示。
5. 工作计划
第一、二周：熟悉毕业设计任务，查阅有关资料；
第三、四周：校内外调研，对查阅、调研资料分析总结，完成文献综述（调研报告）；第五周：在充分的调研以及查阅文献的基础上，完成开题报告，；
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