模仿生物蛇的无肢运动方式进行运动的蛇形机器人,因其诸多潜在的优点,如具有良好的环境适应性、运动稳定性、狭小空间可通过性、功能多样性等,越来越受到世界各国研究学者的关注。国内外几十家研究机构都已设计制造了各自的蛇形机器人,随着研究的深入进行,科研人员不可避免地需要解决“如何有效地控制蛇形机器人”这一问题。　　 生物蛇在各种环境中都能高效运动是在自然界中漫长进化的结果,而蛇形机器人因其复杂的运动动力学,如欠驱动、高维非线性、环境不确定性等,使得让蛇形机器人也获得高效的运动能力和环境适应性成为摆在研究人员面前的难题。由于蜿蜒运动作为生物蛇最典型的一种运动步态,对蜿蜒步态控制的研究一直是蛇形机器人控制研究的核心问题。所以本研究针对蛇形机器人动力学与控制中的问题,围绕蛇形机器人蜿蜒运动机理这一科学问题进行如下方面的研究:　　 1.对蛇形机器人的动力学模型进行深入严格的理论分析通过类比蛇形机器人与冗余度操作臂的机构、构形、运动学、动力学,建立蛇形机器人移动与操作的统一动力学模型。由移动与操作这两种状态动力学的统一关系,把蛇形机器人移动状态下的动力学模型解耦为与环境相关的外部动力学和与机器人本体机构相关的内部动力学。通过移动与操作统一动力学模型的建立与分析,揭示了蛇形机器人特殊的动力学结构,提供一个统一的视角理解链式机构移动与操作状态的动力学模型。统一模型研究过程中,引入微分几何方法将蛇形机器人的动力学建模转化为几何计算,并且把移动与操作的统一动力学模型问题归结为子流形问题。赋予了蛇形机器人动力学模型以几何意义,为深入研究蛇形机器人移动与操作统一动力学模型提供了数学分析的手段。　　 2.提出一种基于能量的蛇形机器人蜿蜒运动控制方法蛇形机器人运动的最突出的特点是环境与机器人本体相互作用。研究者无法孤立地去解决蛇形机器人运动机理中的个别问题,必须综合地考虑“环境-机器人”系统的动力学特征。而运动能量可以联系或描述蛇形机器人蜿蜒运动的各个方面,能量耗散描述蜿蜒运动中机器人与环境的交互作用,能量转换描述蜿蜒运动中机器人的动力学过程,能量平衡描述蜿蜒运动中机器人诸多关节之间的协调运动。从蛇形机器人蜿蜒运动中能量“耗散—转换—平衡”的角度去理解蜿蜒运动的机理,提出一种基于能量的蛇形机器人蜿蜒运动控制方法——被动蜿蜒。通过输出关节力矩控制机器人蜿蜒运动,由机器人的能量状态调整力矩的大小。蛇形机器人的能量状态间接地反映外部环境和内部动力学,使得机器人的被动蜿蜒控制既可实现对外部环境的适应,又可实现对内部机构本体的机械特性的适应。　　 3.研究蛇形机器人的机械特性与蜿蜒运动控制参数之间的耦合关系在蛇形机器人被动蜿蜒控制研究的基础上,通过蛇形机器人蜿蜒运动摆动频率的推导与计算,进一步研究机器人机构特性与蜿蜒运动控制律之间的耦合关系,以根据机器人的内部机构特征优化蜿蜒运动的控制参数。建立蛇形机器人自由摆动的连续体动力学模型,将被动蜿蜒控制方法的控制参数或控制量等效为机器人的机械参数(机构/结构参数),推导计算等效机器人系统的特征频率函数式。受自然界共振现象的启发,将随控制量变化的特征频率作为被动蜿蜒的控制频率,使得蛇形机器人的蜿蜒运动按照耦合系统的自然频率摆动。结果显示使用固有频率控制的蛇形机器人的蜿蜒运动在运动稳定性、启动时间等方面具有优势。由此实现了蜿蜒运动控制系统参数(即摆动频率)的选择由蛇形机器人的“控制—机构”耦合系统的特征决定。　　 总而言之,本文关于蛇形机器人动力学模型与其蜿蜒运动控制的研究工作的目的为:更深入地理解蛇形机器人的运动机理,提高蛇形机器人的运动能力与环境适应性,使得仿生蛇形机器人的运动性能更接近于生物蛇的运动性能。