随着机器人技术在工业、医疗、救援等领域的广泛应用，蛇形机器人因其独特的运动方式和环境适应性成为研究热点。蛇形机器人通过模仿蛇类的运动特性，能够在狭窄、复杂地形中灵活穿行，适用于管道检测、灾区搜救和军事侦察等场景。然而，传统蛇形机器人在面对多变地形时，姿态调整能力有限，运动效率和灵活性受到制约[1]。 变胞蛇形机器人通过引入变胞机构，能够根据环境变化动态调整形态，从而提升适应性和运动性能。变胞机构是一种能够在运动过程中改变结构形态的机制，使机器人从一种形态切换到另一种形态，增强其环境适应能力[2]。本课题旨在设计一种基于PLC控制的变胞蛇形机器人，利用PLC实现对机器人运动和形态变化的精确控制，提升其在复杂环境中的自主性和稳定性。 本课题的研究具有重要的学术价值和实际意义。一方面，它推动了机器人结构设计和控制技术的进步，为变胞机构在蛇形机器人中的应用提供了新思路；另一方面，该设计可应用于工业自动化、灾害救援等领域，为解决实际问题提供技术支持，具有良好的经济效益和社会效益。
蛇形机器人的研究起源于20世纪70年代，日本学者Hirose Shigeo首次提出蛇形机器人概念，并开发了ACM（Active Cord Mechanism）系列机器人，奠定了该领域的基础[3]。近年来，国外在蛇形机器人领域取得了显著进展： Carnegie Mellon University开发了模块化蛇形机器人，通过模块重组实现形态变化，适应不同任务需求[4]。 MIT研究了基于超弹性材料的
国内对蛇形机器人的研究起步较晚，但近年来发展迅速： 哈尔滨工业大学研制了模块化蛇形机器人，实现了蠕动、翻滚等多种运动模式[8]。 北京航空航天大学开发了基于SMA（形状记忆合金）的蛇形机器人，实现了柔性变形[9]。 中科院沈阳自动化研究所研究了水下蛇形机器人，应用于水下探测和维修[10]。 在变胞机构方面，国内研究主要集中在并联机构和变形机构的设计，但将其应用于蛇形机器人的研究较少。此外，PLC
针对传统蛇形机器人在复杂地形中适应性不足的问题，设计一种基于PLC控制的变胞蛇形机器人，建立结构模型，并设计相应的控制系统，实现机器人在非结构化环境中的自主运动和形态调整。
运用机械电子工程知识，针对变胞蛇形机器人进行结构和运动控制系统设计，提出合理的设计方案，并体现创新意识。 针对变胞蛇形机器人设计的工作目的，设计各工作模块，完成相应功能的结构设计，并通过仿真验证运动性能。 使用PLC编程软件、SolidWorks和CAD制图软件等工程工具，对变胞蛇形机器人设计的控制系统进行设计和分析。
本设计拟采用文献分析法和仿真实验相结合的方法展开。首先，查阅大量与变胞蛇形机器人相关的文献资料，通过分析国内外研究成果，提出可行性方案；然后，进行机械结构的三维建模，并设计控制系统；最后，通过仿真实验验证设计方案的有效性并优化。其技术路线图如下： 图1 技术路线图 Copy 文献分析 → 结构设计 → SolidWorks建模 → 运动仿真 → PLC控制系统设计 → PLC编程 → 仿真调试 → 实验验证 → 优化设计 本文的研究针对变胞蛇形机器人在复杂地形中的运动需求，设计包含多个关节的模块化结构，每个关节通过驱动器（如电机）实现独立运动。变胞机构通过连杆或伸缩部件实现形态变化，满足不同地形下的姿态调整需求。如下图所示： 图2 变胞蛇形机器人结构图 设计中，机器人由多个相同模块组成，每模块包含关节和驱动单元，形态变化由变胞机构控制，PLC通过传感器反馈实现精确调节。 控制过程分析：驱动单元（如电机）的动力由电源模块提供，通过PLC控制信号调节各关节的运动状态。传感器（如陀螺仪、距离传感器）采集环境数据，PLC根据数据调整机器人姿态，实现前进、转弯和避障等功能。
2024年 11月16日 ~ 12月15日：查阅文献资料，确定变胞蛇形机器人设计结构和控制方案设计路线，撰写开题报告； 12月16日 ~ 2025年1月15日：变胞蛇形机器人结构设计，选择合理的设计方案，进行机构功能分析，根据功能设计相应结构； 1月16日 ~ 2月15日：完成结构设计，使用SolidWorks建模并进行运动仿真； 2月16日 ~ 3月15日：完成控制系统设计，进行PLC编程； 3月16日 ~ 4月15日：仿真调试与实验验证，优化设计方案； 4月16日 ~ 5月15日：编写设计说明书，绘制相关图纸，进行成本核算； 5月16日 ~ 6月10日：完成外文翻译，制作PPT，准备毕业答辩。