蛇形機(jī)器人的研究與發(fā)展

謝哲東　張?zhí)硪?/p>

摘 要：隨著仿生技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)器人領(lǐng)域的不斷拓展，仿生機(jī)器人的研究逐漸成為各位學(xué)者、專家關(guān)注的焦點(diǎn)，這也大大擴(kuò)展了機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域。本文闡述了蛇形機(jī)器人應(yīng)用背景和發(fā)展現(xiàn)狀，并根據(jù)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀對(duì)其展望了未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：蛇形機(jī)器人；國(guó)內(nèi)外發(fā)展；應(yīng)用領(lǐng)域；發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類號(hào)：TP24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20171032031

引言

隨著生物的不斷進(jìn)化，如今的生物都具有很強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)能力和環(huán)境適應(yīng)能力，這引起許多科學(xué)家的注意，而隨著仿生學(xué)的不斷進(jìn)步，仿生機(jī)器人便應(yīng)運(yùn)而生。而生物蛇由于其細(xì)長(zhǎng)的身體結(jié)構(gòu)及特有的活動(dòng)方式，具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力和在地面穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，在機(jī)器人領(lǐng)域中是特有的存在。它特有的優(yōu)勢(shì)使它擁有廣闊的發(fā)展前景。

身體緊貼地面、降低重心的爬行運(yùn)動(dòng)模式使其運(yùn)動(dòng)具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性；通過(guò)身體的擺動(dòng)與地面產(chǎn)生摩擦，從而獲得前進(jìn)動(dòng)力的運(yùn)動(dòng)方式具有自主可調(diào)控的避障越障的能力；細(xì)長(zhǎng)的身體和多種運(yùn)動(dòng)步態(tài)使其可以通過(guò)多種崎嶇復(fù)雜的路段，甚至具有攀爬立柱的運(yùn)動(dòng)能力；由于蛇形機(jī)器人能夠在人類難以到達(dá)的未知環(huán)境中工作，具有隱蔽性，增加安全系數(shù)，減少人力，減少因疲勞所帶來(lái)的一系列誤差等因素，能夠把人從繁重、危險(xiǎn)、單調(diào)乏味的工作環(huán)境中解脫出來(lái)，代替人完成人類主觀想要完成的復(fù)雜作業(yè)。因此被廣泛應(yīng)用到軍事領(lǐng)域、科學(xué)探險(xiǎn)、救災(zāi)搶險(xiǎn)、工業(yè)檢測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用前景。

軍事領(lǐng)域（反恐防暴）：在戰(zhàn)場(chǎng)，可以將雷達(dá)檢測(cè)器應(yīng)用在蛇形機(jī)器人身上，通過(guò)蛇形機(jī)器人的快速運(yùn)動(dòng)已達(dá)到迅速掃雷、避雷的作用。同時(shí)，因?yàn)樯咝螜C(jī)器人細(xì)長(zhǎng)的身體結(jié)構(gòu)，在戰(zhàn)場(chǎng)或者諜報(bào)工作時(shí)具有一定的隱蔽性，以達(dá)到探測(cè)、竊取情報(bào)甚至起到定點(diǎn)引爆的工作。

民用領(lǐng)域（救災(zāi)搶險(xiǎn)）：因?yàn)樯咝螜C(jī)器人具有超強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，所以可以在一定惡劣的環(huán)境，例如：毒氣、粉塵、輻射、高溫，低溫等條件下仍然具有很強(qiáng)的工作執(zhí)行能力；在災(zāi)后廢墟中搶救、尋找幸存者能發(fā)揮巨大的高效作用。

工業(yè)領(lǐng)域（檢測(cè)）：可對(duì)地下管道進(jìn)行故障勘探，查出堵塞點(diǎn)，甚至可以疏通堵塞管道。

其他領(lǐng)域：在太空中對(duì)航天器等外部零件的維修作業(yè)；對(duì)未探索，具有一定危險(xiǎn)系數(shù)的星球進(jìn)行地質(zhì)勘探發(fā)送資料和影像，提高工作人員的安全效率。

1 蛇形機(jī)器人國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外的研究

1972年由日本東京大學(xué)的Hirose教授研制的第一臺(tái)蛇形機(jī)器人誕生，并將其命名為ACM（Active Cord Mechanism）蛇形機(jī)器人。再到后來(lái)研究的逐漸深入，ACM-R2、ACM-R3、ACM-R4、ACM-R5的先后研制和完善，如圖1所示，使蛇形機(jī)器人成為仿生機(jī)器人中最具代表性的研究熱點(diǎn)。

再到德國(guó)Karl.L.Paap研制的GMD蛇形機(jī)器人，如圖2所示，但是GMD機(jī)器人優(yōu)缺點(diǎn)明顯，它雖然具有較強(qiáng)的靈活運(yùn)動(dòng)能力，但在機(jī)頭每次抬起時(shí)，由于受到機(jī)頭的重力作用，導(dǎo)致關(guān)節(jié)向下彎曲，造成控制失靈，無(wú)法正常工作的結(jié)果。

1999年，美國(guó)開(kāi)始研制NASA蛇形機(jī)器人，如圖3所示，他們改進(jìn)了之前由卡耐基梅隆大學(xué)研制的CMU蛇形機(jī)器人，并計(jì)劃將其應(yīng)用在太空，應(yīng)用于行星地表探測(cè)以及空間站維護(hù)工作，該蛇形機(jī)器人可以靈活地在復(fù)雜的行星表面穿梭，并獨(dú)立規(guī)劃路徑以達(dá)到避障的效果。

1.2 國(guó)內(nèi)的研究

1999年3月，由上海交通大學(xué)崔顯世、顏國(guó)正研制出的我國(guó)第一臺(tái)微小型仿蛇機(jī)器人樣機(jī)。在之后的中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所，以馬書(shū)根為核心的機(jī)器人研發(fā)團(tuán)隊(duì)所研制出的蛇形機(jī)器人巡視者 II 和探查者Ⅲ，為我國(guó)星球探測(cè)和災(zāi)難救援等領(lǐng)域的應(yīng)用提供技術(shù)支持，如圖4所示。

2 蛇形機(jī)器人的結(jié)構(gòu)類型

因?yàn)樯锷呋顒?dòng)方式的多變靈活性，所以目前一般的蛇形機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，由多個(gè)相同的單元體模塊首尾串聯(lián)依次連接而成，每個(gè)模塊都具有獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)，可以產(chǎn)生有限范圍內(nèi)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。通過(guò)主機(jī)控制各模塊的運(yùn)動(dòng)時(shí)序，相互協(xié)調(diào)，蛇形機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)形式。如果需要完成特定的工作需要在“蛇頭”添加傳感或者視覺(jué)等機(jī)構(gòu)。

蛇形機(jī)器人的關(guān)節(jié)選取直接決定了其運(yùn)動(dòng)的方式，目前應(yīng)用最廣泛的關(guān)節(jié)種類（圖5）有以下。

2.1 平行連接關(guān)節(jié)

關(guān)節(jié)單元模塊之間的轉(zhuǎn)動(dòng)副軸線相互平行且垂直于蛇體縱軸；僅能做二維平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。難于適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境。

2.2 正交連接關(guān)節(jié)

鄰轉(zhuǎn)動(dòng)副的軸線互相垂直，且均垂直于蛇體縱軸，這樣得到的每個(gè)關(guān)節(jié)連接雖然只有一個(gè)自由度。但正交關(guān)節(jié)以2個(gè)關(guān)節(jié)3個(gè)連桿組成的正交鉸接為最小單元，可完成三維運(yùn)動(dòng)。

2.3 萬(wàn)向節(jié)連接關(guān)節(jié)

萬(wàn)向節(jié)連接關(guān)節(jié)的蛇形機(jī)器人相對(duì)于其它連接方式運(yùn)動(dòng)最為靈活。制作成本較高，加工要求很高的精度，控制比較困難，可完成三維運(yùn)動(dòng)。

2.4 P-R關(guān)節(jié)

P-R 連接是在2個(gè)俯仰（Pitch）關(guān)節(jié)（轉(zhuǎn)動(dòng)副與關(guān)節(jié)軸線垂直）之間添加一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線與關(guān)節(jié)縱軸重合的橫向轉(zhuǎn)動(dòng)（Roll）關(guān)節(jié)，可完成三維運(yùn)動(dòng)。

通過(guò)關(guān)節(jié)的相互協(xié)作，會(huì)使蛇形機(jī)器人產(chǎn)生多種不同的運(yùn)動(dòng)模式，總結(jié)成如下表分類。

3 展望

從現(xiàn)有的蛇形機(jī)器人來(lái)看，未來(lái)機(jī)器人連接方式的開(kāi)發(fā)將遵循通用性、經(jīng)濟(jì)性和魯棒性的原則，其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)將沿著可重構(gòu)性發(fā)展，而目前所研制的蛇形機(jī)器人存在共同的問(wèn)題便是機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)多采用內(nèi)置舵機(jī)轉(zhuǎn)位，關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，響應(yīng)速度和爬行速度偏慢，影響工作效率，控制效果不佳。隨著研究的深入，如何設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于控制、運(yùn)動(dòng)靈活的連接方式，是人們必須面對(duì)和函待解決的問(wèn)題。因此，以仿蛇形機(jī)器人發(fā)展前景和目前存在的問(wèn)題展開(kāi)研究，為了實(shí)現(xiàn)多個(gè)模塊化關(guān)節(jié)協(xié)同運(yùn)動(dòng)控制，可以嘗試設(shè)計(jì)一種采用拉線驅(qū)動(dòng)2自由度完全正交輸出關(guān)節(jié)組成的蛇形機(jī)器人，有助于提高蛇形機(jī)器人的靈活性、高能效、精巧性的應(yīng)用技術(shù)水平，提高對(duì)復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力，對(duì)蛇形機(jī)器人的發(fā)展提供新鮮的研究途徑。

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作者簡(jiǎn)介：謝哲東（1974-），男，吉林長(zhǎng)春，博士，研究方向：先進(jìn)制造技術(shù)與裝備及機(jī)器人技術(shù)；張?zhí)硪唬?992-），男，吉林長(zhǎng)春，碩士，研究方向：蛇形機(jī)器人。endprint