強大的蛇形機器人

供稿|張棚 / ZHANG Peng

內容導讀

在日常生活中經常見到形式各樣的具有定向功能的機器人，它們在不同領域內協(xié)助或完全取代人力開展相關工作，不僅提高了工業(yè)生產的質量和效率，同時也增加人們生活的體驗感和豐富度。隨著科學技術的不斷提升，研究者們開始著手于仿生類機器人的研究和研發(fā)，通過對一些動物所具備的獨特運動特點進行分析和模仿，進而應用到生活實際中，以此來克服傳統(tǒng)機器人在工作過程中存在的缺陷。本文將以蛇形機器人為例，介紹其生物研究、歷史發(fā)展、功能應用，使讀者對蛇形機器人有更加清楚的認識，以及對仿生類機器人有初步的了解。

在自然環(huán)境中，無論是在高山峽谷、平原溝壑，還是江河湖海、沙漠沼澤中都能發(fā)現(xiàn)對這種環(huán)境賴以生存的蛇存在，足以見得蛇在自然界中具有廣闊的生存范圍和強大的環(huán)境適應能力。其本質原因在于，蛇進化出了多種適應性的運動姿態(tài)，因此，基于對這些獨特運動姿態(tài)進行仿生模擬而設計的蛇形機器人能夠在多種環(huán)境下適應性地實現(xiàn)相關運動。當前蛇形機器人已經逐步應用于一些特定場所從事相關的檢測任務，未來一定能夠更加高效廣泛地應用在各種領域中。

自然界中的蛇

在大家固有的印象中，一提到蛇總會讓人感到恐懼，人們害怕蛇像針管一樣尖銳的毒牙，一旦被咬便會猛烈地刺入到皮膚深處，若是有毒蛇，毒液還會通過中空的毒牙注入人體內，通過血液循環(huán)擴散至人的全身，進而威脅到人的生命安全，以至于出現(xiàn)“一朝被蛇咬，十年怕井繩”的典故。

除了毒牙，人們對蛇的畏懼也來自于蛇不同于其他無足類爬行動物而具備多種運動姿態(tài)，這種靈活性的姿態(tài)轉換得益于獨特的骨架結構。從生物學的角度來看，蛇的骨骼主要由顱骨、肋骨和脊椎骨構成，其中脊椎骨的數(shù)量決定了蛇的軀干長度，但總的來說，一條蛇大致有130～500個脊椎骨。肋骨位于每塊脊椎骨上，依靠肌肉的伸縮，每塊脊椎骨之間能實現(xiàn)10°～20°的小范圍旋轉運動，但是數(shù)量龐大的脊椎骨小范圍運動疊加在一起，蛇便能實現(xiàn)靈活的姿態(tài)。

蛇在平面上的運動

蛇在平面上的運動主要分為蜿蜒運動、伸縮運動(又稱內攀爬運動)和直線運動(又稱行波運動或蠕動運動)[1]。

蜿蜒運動是蛇最常見、效率最高的運動方式，自然界中大部分蛇在陸地或水中運動時都會采用蜿蜒運動。在做蜿蜒運動時，蛇的軀干會形成若干個正弦波形狀，波形從頭部到尾部依次傳遞，腹部和地面之間的摩擦力或與水之間的相互作用力推動蛇向前運動，如圖1(a)。

圖1 蛇在平面上的運動

伸縮運動是蛇進化出的一種適應狹窄空間的運動方式，當蛇運動經過狹窄空間時，軀干的前部分會彎曲成若干個S形與地面接觸，而軀干的后部分則相對保持伸直的狀態(tài)并被往前拉進，之后軀干的后部分形成若干個S形與地面接觸，前部分則保持相對伸直的狀態(tài)被往前推進，實際情況下這種重復的“彎曲-拉近-彎曲-推進”過程使得蛇緩慢地向前移動，運動效率很低，如圖1(b)所示。

直線運動是大體型蛇類以及部分劇毒蛇類的常用的一種運動方式，該步態(tài)是通過蛇腹部的肌肉收縮實現(xiàn)，所以在這種情況下，蛇的脊椎沒有實現(xiàn)橫向的擺動而在整體上呈現(xiàn)出直線前進的運動狀態(tài)，如圖1(c)所示。在運動過程中，蛇腹部的一組肌肉收縮控制皮膚從地面抬起并向前拉伸，另一組肌肉控制腹部皮膚壓低并往后推動，兩組肌肉不斷實現(xiàn)交替的拉伸和推動作用，蛇從而實現(xiàn)前向運動，但這種運動的效率也很低。

蛇在空間中的運動

自然環(huán)境往往更為復雜和多變，因此蛇在空間中的運動會根據(jù)環(huán)境的變化和結合當前任務的可執(zhí)行性，如自身處于劣勢狀態(tài)或遇到天敵情況需要立刻逃生，此時的運動狀態(tài)往往都是非常見運動姿態(tài)，包括側向運動、在陌生環(huán)境中偵察或恐嚇敵方時將前三分之一軀干豎立起來的抬起姿態(tài)，以及纏繞樹干向上前進的攀爬運動，如圖2所示。

圖2 蛇在空間中的運動

側移運動是蛇為了適應比較光滑的地面而進化擁有的一種特殊的運動方式，如自然界中濕潤的沼澤環(huán)境和流動性較強的沙漠環(huán)境等。沙漠中的響尾蛇會采用側移步態(tài)在沙漠中前行，由于沙漠環(huán)境的接觸面較為松軟，在白天時間沙礫的溫度較高，響尾蛇在運動過程中身體的各個部分不能長時間與沙礫接觸，因此只能采用軀干部分交替接觸的方式來實現(xiàn)相應運動。側移運動時，蛇軀干上的每個部分會從頭部到尾部依次與地面接觸和離開，最終實現(xiàn)軀干整體朝側向移動。相較于二維姿態(tài)中的直線運動和伸縮運動，側移運動是一種效率較高的運動步態(tài)。

纏繞樹干的螺旋攀爬運動主要分為折疊伸縮式運動和螺旋蠕動式運動。折疊伸縮式運動是一種沿樹干縱軸方向收縮的運動步態(tài)，蛇在運動過程中，軀干的前半部分向上伸展，到達一定位置后上半部分纏繞在樹干上，然后放松已經纏繞在樹干上的后半部分軀干并向上收縮，到達一定位置后后半部分纏繞在樹干上，也正是這種“頭部伸展—頭部纏繞—尾部收縮—尾部纏繞”的折疊伸縮式運動，實現(xiàn)了蛇的攀爬。螺旋蠕動式運動是蛇的軀干形成空間螺旋形態(tài)實現(xiàn)蠕動的傳遞，蛇的尾部通過部分關節(jié)的運動起伏以縱波的形式傳遞至蛇的頭部，在整個攀爬的過程中，蛇沿著一條固定的軌跡運動，由于這種步態(tài)在實現(xiàn)過程中大部分關節(jié)都是纏繞在樹干上的，因此需要額外產生用來克服重力作用的摩擦力較小，但這種步態(tài)的攀爬速度較慢。

蛇形機器人的歷史

1972年，東京工業(yè)大學的Hirose對蛇的運動原理通過數(shù)學方法描述為蛇形曲線(Serpentine)，直至今日，蛇形曲線仍舊是蛇形機器人研究領域具有指導意義的曲線[2]。其團隊采用多關節(jié)模塊串聯(lián)式鏈接組成的高冗余度系統(tǒng)而設計出了世界上第一臺蛇形機器人樣機ACM-Ⅲ，該機器人全長2 m，質量為28 kg，有20個相互平行的關節(jié)構成，能夠在平面內實現(xiàn)蜿蜒運動，由于受到關節(jié)連接的限制，ACM-Ⅲ并不具備在空間中運動的能力。

在后續(xù)經過近50年的創(chuàng)新和發(fā)展，卡內基梅隆大學、挪威科技大學、德國GMD國家實驗室、上海交通大學、沈陽自動化研究所、北京科技大學等眾多高校及科研機構在推進蛇形機器人的功能研發(fā)和實際應用中做出了巨大的貢獻[3]。

蛇形機器人的研究現(xiàn)狀

除了最早的蛇形機器人ACM-Ⅲ外，東京工業(yè)大學還研制了動力驅動更強的蛇形機器人ACMR4以及同時具備地面和水下運動的水陸兩棲蛇形機器人ACM-R5等。1997年，德國的Gavin Miller研制了蛇形機器人S1～S7共七代蛇形機器人，該機器人在形狀尺寸設計和運動關節(jié)數(shù)量等方面考慮得非常完備，在外形上具有極強的仿生效果，因此也被稱為最接近生物蛇蜿蜒運動的蛇形機器人。2000年，美國國家航空航天局(NASA)為了完成太空探測和空間站的維護設計了一款正交關節(jié)連接的蛇形機器人，該機器人可以實現(xiàn)蠕動前進、翻越簡單障礙物等功能，具備空間運動的能力。

美國卡內基梅隆大學Howie Choset研發(fā)了Uncle Sam、SEA和Unified Snake Robot蛇形機器人，這些機器人能夠適應草地、管道網絡、樹干等多種非結構環(huán)境。美國密歇根大學研制出地面適應能力更強的一種蛇形機器人Omni-Tread OT8和OT-4，這些機器人的每個關節(jié)模塊配備了有八條履帶式的輪子，其地面行走能力非常強，能夠適應各種非常復雜的地形環(huán)境。德國GMD國家實驗室對蛇形機器人的模塊化結構設計具有突出的貢獻，蛇形機器人GMD-Snake和GMD-Snake2均采用了模塊化設計的關節(jié)結構，同時每個關節(jié)具有兩個相互垂直的轉動自由度，整個蛇形機器人的自由度個數(shù)是關節(jié)數(shù)量的兩倍，從而更加增強了蛇形機器人的靈活性和機動性。

在國內，上海交通大學于1999年發(fā)布了我國第一款蛇形機器人樣機，該樣機在外形上與生物蛇極為相似。國防科技大學在蛇形機器人的頭部配置了攝像頭后，實現(xiàn)了對蛇形機器人運動時前方環(huán)境的獲取和分析。沈陽自動化研究所是我國蛇形機器人研究領域的領軍科研機構，設計了包括蛇形機器人SIA(初代樣機，2001年)，巡視者Ⅰ(2004年)、巡視者Ⅱ(2004年)及探查者Ⅲ(2011年)等多款樣機，對蛇形機器人的控制理論、運動學、動力學、機構設計和系統(tǒng)規(guī)劃開展了全面而系統(tǒng)的研究。除此之外，北京化工大學、中國礦業(yè)大學(北京)、北科大等高校也開展了大量的研究。

蛇形機器人的應用

從蛇形機器人的結構可知其具備靈活的運動姿態(tài)和高度的環(huán)境適應性，因此蛇形機器人可以應用在安全檢測、工業(yè)生產、航空航天、國防軍事、醫(yī)療應用等諸多領域[4]。圖3展示了蛇形機器人在不同領域的應用。

圖3 蛇形機器人的應用

安全檢測和狀態(tài)檢測是蛇形機器人最常見的應用場景之一，同時也是便捷的應用場景之一。蛇形機器人修長的結構特點確保了其能夠像生物蛇一樣在管道內部攀爬或外部攀附，在特定的關節(jié)上安裝傳感器，通過控制可以對管道的損傷進行探測和預警?？▋然仿〈髮W將蛇形機器人在社區(qū)雨水管道網通中進行實驗，不僅實現(xiàn)了蛇形機器人在直管、彎管、變徑管道等復雜的管道網絡中實驗，同時，通過GPS實現(xiàn)機器人與主控平臺之間的聯(lián)系，蛇形機器人頭部的攝像頭實時地傳回雨水管道網絡中的堵塞或破損情況，極大地提高了檢測效率和節(jié)省了人力成本。

工業(yè)生產中可以利用蛇形機器人在高危倉庫中實現(xiàn)?；返难惨暀z查和臨時搬運。蛇形機器人在復雜的非結構環(huán)境中能夠通過步態(tài)切換的方式來實現(xiàn)對環(huán)境的適應。尤其是在高危倉庫的安全隱患排除時，蛇形機器人需要能夠獨立開展現(xiàn)場檢查，而將其頭部改裝配備上特定的夾持機構便可以適當完成潛在隱患的搬運和轉移。天津工業(yè)大學設計的蛇形機器人在其頭部安裝了一個夾持器，該夾持器的理論操作空間為45 mm的夾具開口距離，但是在實際操作時，由于齒輪的間隙和精度問題，改加持機構的最佳抓取對象的寬度為20～34 mm。

除了NASA設計的空間站維護蛇形機器人外，近些年來有研究者研究了將蛇形機器人應用于外星球的探索和開發(fā)。哈爾濱工業(yè)大學通過模擬月球表面的隕石坑環(huán)境，研究了蛇形機器人在不同隕石坑壁傾角條件下蛇形機器人的最佳攀爬策略，為我國下一步探月任務中的實地采樣環(huán)節(jié)提供了有效的建議和有力的支持。

國防軍事前線是關系到我們每個人生活安全的重要一部分，同時因為戰(zhàn)爭的原因我國西南邊境等地依舊存在大面積的雷區(qū)，這嚴重危害到了當?shù)鼐用竦纳a生活，而目前的邊境排雷還是主要依賴排雷兵進行人工排雷，而探雷的過程則更是極為復雜和繁瑣的，而采用蛇形機器人進行協(xié)助排雷不僅降低了人為探雷的風險，同時也能通過傳感設備對埋雷的具體點位進行傳送和反饋。與此同時，蛇形機器人在野外環(huán)境能夠纏繞在樹枝等隱蔽的環(huán)境中，對環(huán)境偵察和情報獲取具有極高的軍事指導意義。

北京科技大學的蛇形機器人

北京科技大學仿生蛇形機器人研究主要由機械工程學院郜志英教授團隊開展，目前具備完善的“教授指導—博士帶頭—碩士創(chuàng)新—本科生SRTP”全階段的培養(yǎng)體系，對蛇形機器人的運動學分析、動力學分析、運動控制、樣機設計、控制策略優(yōu)化、實際應用落地等開展了較為全面的研究和分析。

目前該團隊已經設計完善了5代蛇形機器人，能夠全面高效的完成平面運動及空間運動(圖4)。同時，他們致力于將蛇形機器人應用于實際生產，依托于北京科技大學順德研究生院在大灣區(qū)的優(yōu)勢，團隊正在積極與當?shù)仄髽I(yè)開展溝通和交流，為蛇形機器人的進一步科技成果轉化不斷努力著。

圖4 北京科技大學設計的系列蛇形機器人