仿生机器人是机器人发展的一个重要方向,从其工作环境上可以分为陆地、空中、水下三类,蛇形机器人以其广泛的应用性成为一个重要的研究分支。仿生蛇形机器人因其柔性的身躯和较窄的横截面可在具有挑战性的和未知的环境中提供良好的运动性能,除在医疗手术、工业领域得可到广泛应用外,还可在导航、救援、军事侦察等多个领域应用,并已成为机器人领域的研究热点。仿生蛇形机器人的机构由能够在一个或多个平面中弯曲或旋转的连接模块构成,它的多自由度使得它们难以控制,蛇形运动与控制及其参数优化成为研究的重点。本文通过模块化设计,设计并制作了五模块平面运动蛇形机器人,构建了基于Serpenoid曲线方程和Serpentine运动控制公式的运动与动力学模型,运用基于Webots软件的运动仿真技术对蛇形机器人进行了仿真研究与运动控制实验,提出了新补偿参数进行了优化,消除运动方向偏移问题。本文主要完成了以下四个方面的研究内容。(1)设计了一个可重构模块化蛇形机器人,将模块设计分为“骨架”和外壳两部分,结构简单,易于装卸。并根据模块连接方式不同可以改变机器人运动能力,依此设计制作了一个平面运动蛇形机器人,为后续运动学实验分析提供基础。(2)建立了基于蛇形机器人的连杆模型,分析其受力情况与运动情况。推导了Serpenoid曲线方程和Serpentine运动控制公式,并在MATLAB软件中对两个方程进行数值模拟,分析各参数对蜿蜒曲线的影响。(3)在Webots软件中构建了蛇形机器人模型,并针对Serpentine运动公式进行运动仿真,分析各参数对蜿蜒运动的影响,并通过蛇形机器人进行了运动控制实验。(4)分析研究了蛇形机器人在改变形态时发生方向偏移的问题,由此提出了Serpentine运动公式中隐藏的关节初始角条件。创新性地提出通过添加新的补偿参数来解决方向偏移问题,并在Webots仿真和实际实验中得到了验证。