蛇形機器人

　　日本東京科技大學(xué)于1972年研制出世界上第一條蛇形機器人，其速度可達(dá)40厘米/秒。而美國的蛇形機器人研究則代表了當(dāng)今世界的先進(jìn)水平。2000年10月，美國航空航天局在加利福尼亞裝備研制中心展示了一種用于外太空探險的蛇形機器人，它能在一些復(fù)雜地形行走時如履平地，運動十分靈活，并具有探測、偵探等多種功能。

　　背景知識

　　大自然不僅僅賦予人類生命和豐富的自然資源，而且其豐富的生命形態(tài)給予了人類無窮無盡的啟迪，讓人們充分地利用自然和改造自然。這些啟迪加上人類的聰明才智使科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步，推動人類社會發(fā)展。從小鳥的展翅飛翔，到形狀各異的風(fēng)箏，還有后來更為先進(jìn)的飛機。從蝙蝠的夜間疾飛到當(dāng)今軍事和民航上至關(guān)重要的雷達(dá)系統(tǒng)，都充分體現(xiàn)了研究生物系統(tǒng)對科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重大貢獻(xiàn)。模仿和探索大自然中生物的運動和功能，理解和獲取有利的運動和控制原理，促使了仿生學(xué)的出現(xiàn)和發(fā)展。仿生學(xué)是20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的一門綜合性邊緣學(xué)科，它由生命科學(xué)和工程技術(shù)科學(xué)相互滲透、相互結(jié)合而成?？梢哉f仿生學(xué)的研究對科學(xué)技術(shù)和社會的發(fā)展起著舉足輕重的作用。仿生系統(tǒng)以其能體現(xiàn)和再現(xiàn)生命特征成為現(xiàn)代研究的重點課題。生命系統(tǒng)的自主運動和適應(yīng)能力的物理實現(xiàn)不僅能夠把人從繁重、危險、單調(diào)乏味的工作環(huán)境中解脫出來，而且能夠代替人在危險場合完成復(fù)雜作業(yè)。仿生學(xué)將生命原理應(yīng)用到工程系統(tǒng)的研究和設(shè)計中，尤其對當(dāng)今日益發(fā)展的機器人學(xué)科起到了巨大的推動作用，促進(jìn)了仿生機器人領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展。

　　在絕大多數(shù)人眼中，蛇是一種可怕的動物，甚至有很多人不愿意提及或看到這種動物。從圣經(jīng)上的關(guān)于蛇的描寫到中國寓言中農(nóng)夫和蛇的故事，無不反映出蛇陰險和可怕的一面。當(dāng)然它本身與眾不同的移動方式，也使人們產(chǎn)生恐慌和害怕，從而避而遠(yuǎn)之。其實蛇是非常有益于人類的動物，它可以消滅老鼠等害蟲，而且對于整個生態(tài)平衡起著至關(guān)重要的作用。當(dāng)然本文并不是研究生物蛇和人類的關(guān)系，而是根據(jù)蛇的生理結(jié)構(gòu)和運動特點，設(shè)計和研究蛇形機器人的結(jié)構(gòu)和運動，是從仿生學(xué)的角度出發(fā)研制有利于人類社會的機器人。當(dāng)代機器人的研究領(lǐng)域己經(jīng)從結(jié)構(gòu)環(huán)境下的定點作業(yè)向非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的自主作業(yè)發(fā)展。機器人被急切需要應(yīng)用到環(huán)境復(fù)雜、高度危險和人類無法進(jìn)入的場合完成作業(yè)。除了傳統(tǒng)的車型設(shè)計方法外，機器人學(xué)者把目光轉(zhuǎn)向了生物界，力求從具有各種運動特征的動植物上獲得啟發(fā)，設(shè)計新的仿生機器人。蛇形機器人就是在這種條件下孕育而生的。蛇的各種獨特的運動特性賦予蛇形機器人以多種功能。蛇形機器人不但能夠適應(yīng)各種復(fù)雜地形，能夠平均分配自己的體重，還具有自封閉的結(jié)構(gòu)等特點使其吸引了國內(nèi)外眾多機器人學(xué)研究人員展開了對蛇形機器人的研究。

　　國內(nèi)外研究

　　蛇形機器人的研究開創(chuàng)了仿生機器人研究的新領(lǐng)域，同時由于蛇形機器人的廣泛應(yīng)用前景，世界上各個國家的機器人愛好者紛紛開始了蛇形機器人的研究。關(guān)于蛇形機器人的研究，美國和日本走在前列，此外加拿大、英國、瑞典、澳大利亞等國也都在開展這方面的技術(shù)研究。

　　第一代蛇形機器人

　　從仿生學(xué)的角度，第一代蛇形機器人結(jié)合機器人動力學(xué)和摩擦學(xué)等的相關(guān)理論，建立的蛇的行波運動學(xué)模型，并研制的機器蛇樣機——SolidSnake，并利用SolidSnake實現(xiàn)了蛇的蠕動、游動、側(cè)移、側(cè)滾、抬頭、翻越障礙物等運動形式。

　　第二代蛇形機器人

　　SolidSnake利用垂直和水平方向正交的關(guān)節(jié)來擬和蛇類生物柔軟的身體，每兩個正交的關(guān)節(jié)組成一個單元體，每個單元體相當(dāng)于一個萬向節(jié)，具有兩個方向的自由度，整體形成一個高冗余度的結(jié)構(gòu)體。這樣的機構(gòu)設(shè)計使蛇體具有向任何方向彎曲的能力。第二代蛇形機器人SolidSnakeII蛇形機器人充分考慮了蛇類生物的運動特點，從仿生學(xué)的角度，結(jié)合機器人動力學(xué)和摩擦學(xué)等的相關(guān)理論，建立了基于行為控制理論的蛇類運動學(xué)模型，把蛇類生物的復(fù)雜運動形式化解為局部的、簡單的運動形式。采用模塊化設(shè)計思路，每個關(guān)節(jié)均可很容易進(jìn)行拆卸。機器蛇的8個關(guān)節(jié)整體形成一個高冗余度的結(jié)構(gòu)體，很容易模仿實現(xiàn)蛇體的復(fù)雜運動形式。為了減少機器蛇的運動中的摩擦阻力，在機器蛇兩側(cè)安裝有從動輪，實現(xiàn)了蛇體的平穩(wěn)游動，增強了蛇形機器人的靈活性和機動性。采用輕型耐磨塑料制造蛇形機器人的主要結(jié)構(gòu)，既減輕了蛇體的重量，又降低了加工的成本。

　　SolidSnakeII蛇形機器人設(shè)有多項預(yù)留位置，如配備局部控制器、位置及力矩侍服器、從動輪鎖死裝置等配套裝置，可實現(xiàn)機器蛇環(huán)境識別和自主運動。在機器蛇的頭部配置有紅外線探測頭，可反饋對環(huán)境的監(jiān)視數(shù)據(jù)。

　　在電路設(shè)計上采用485總線聯(lián)接。上位機為PC機控制，通過對總線的定時輪詢來實現(xiàn)隨時插拔關(guān)節(jié)。此設(shè)計能方便地實現(xiàn)替換任意關(guān)節(jié)，能根據(jù)不同任務(wù)隨時拆卸安裝新的關(guān)節(jié)，甚至實現(xiàn)帶電插拔，極大的增強了蛇形機器人的可靠性和耐用性。

　　并且，SolidSnakeII搭建了完善的軟硬件開發(fā)平臺，為后續(xù)的研究開發(fā)奠定了堅實的基礎(chǔ)。隨著研究的深入展開，蛇形機器人研究與應(yīng)用一定會有更廣闊的天地。

　　日本蛇形機器人

　　上個世紀(jì)七十年代，日本東京工業(yè)大學(xué)的Hirose教授就已經(jīng)開始了蛇形機器人的研究。Hirose教授于1972年研制了第一臺蛇形機器人（ActiveCordMechanism-ACMIII）。該機器人的總長為2m，具有20個關(guān)節(jié)，依靠伺服機構(gòu)來驅(qū)動關(guān)節(jié)左右擺動。為與地面有效地接觸，該機器人的腹部安裝了腳輪。該機器人的最大速度為40cm/s，只能在平面上運動。繼第一臺蛇形機器人之后，Hirose教授的研究室又先后研制了一系列的蛇形機器人。ACM-R3是最近的研究成果，ACM-R3機器人采用完全無線控制的方式，每個關(guān)節(jié)自帶電源。而且ACM-R3為三維結(jié)構(gòu)，能夠在三維環(huán)境中運動和完成復(fù)雜的三動作。

　　日本的NEC公司的Takanashi研制了剛性關(guān)節(jié)連接的蛇形機器人，該機器人的機構(gòu)采用了特殊的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，具有6個管狀的連桿，長1.4m，直徑42mm，重4.6kg，能夠?qū)崿F(xiàn)三維空間運動，可以應(yīng)用在危險情況下的勘查和營救工作。

　　NASA的JPL采用了NEC的蛇形機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計了一種Serpentinerobot，該機器人約1m長，直徑4cm，重量為3.18kg，具有12個自由度，主要是完成在存在障礙物的環(huán)境中的操作任務(wù)

　　德國的GMD研制了蛇形機器人。該機器人采用繩索驅(qū)動，具有較好的柔性。此外，在蛇形機器人上安裝了紅外線傳感器來檢測環(huán)境信息。

　　此外，還有很多蛇形機器人先后被開發(fā)，這里就不一一介紹了。

　　挪威最新研究成果

　　挪威科技工業(yè)研究院(SINTEFResearchInstitute)已經(jīng)設(shè)計出一種用于火星表面探測的蛇形機器人，目前正在努力改進(jìn)。這種機器人形體類似于蛇，并能夠像蛇一樣穿越幾乎所有障礙。

　　研究人員認(rèn)為，這種蛇形機器人可以成為火星探測的極好工具，ESA似乎也同意這一點。SINTEF剛剛從歐洲太空總署(EuropeanSpaceAgency，簡稱ESA)獲得了50萬挪威克朗(約合85,000美元)的資金，用于研制這種蛇形機器人。

　　SINTEF的研究人員表示，蛇形機器人將不會取代已有的火星探測工具火星車(MarsRover)，他們正在尋找一種能夠讓這兩種工具共同工作的方式。

　　“我們正在研究在幾個備選方案，使火星車和蛇形機器人能夠在一起工作。由于火星車具有強大的能源裝置，它可以通過電纜為蛇形機器人提供能源。如果蛇形機器人不得不使用其自己的電池，它將很快耗盡能量，那樣我們就會失去它。“SINTEF高級研究科學(xué)家AkselTranseth解釋說。

　　“有一種選擇是將蛇形機器人裝進(jìn)火星車的機械臂中，并使它具備與該機械臂斷開連接和重新連接的能力，這樣它就可以降落到火星表面，并進(jìn)行獨立活動。”Transeth補充說。

　　對研究人員來說，這將是一個理想的方案。這個方案允許火星車進(jìn)行遠(yuǎn)距離旅行，而讓蛇形機器人去探索那些難以靠近的地方。蛇形機器人可以憑借自身的能力鉆孔、爬懸崖或者進(jìn)入狹窄的裂隙去進(jìn)行探測活動。

　　在理想的情況下，蛇形機器人不僅能火星車一同工作，而且能夠幫助它脫離困境。

　　“蛇形機器人和火星車的聯(lián)合也意味著，如果火星車被卡住了，蛇形機器人將能夠協(xié)助它擺脫困境。”SINTEF高級研究員PALLiljeb?ck說，“當(dāng)火星車被困，蛇形機器人可以降落到地面，并圍繞周圍的巖石轉(zhuǎn)圈，使火星車能夠通過電纜絞車的方式擺脫束縛。”

　　SINTEF還沒有制造出這種蛇形機器人蛇的活動原型。但研究人員說，這項工作將在幾個月內(nèi)完成。

　　國內(nèi)研究情況

　　在我國，蛇形機器人的研究剛剛起步，但是進(jìn)步較快。哈爾濱工業(yè)大學(xué)機器人研究所，上海交通大學(xué)等單位首先進(jìn)行了蛇形機器人仿生方面的一些研究工作。上海交通大學(xué)崔顯世、顏國正于1999年3月研制了我國第一臺微小型仿蛇機器人樣機，該機構(gòu)由一系列剛性連桿連接而成，步進(jìn)電機控制相鄰兩剛性連桿之間的

　　沈陽航空航天大學(xué)蛇形機器人

　　夾角，使連桿可以在水平面內(nèi)擺動，樣機底面裝有滾動軸承作為被動輪，用以改變縱向和橫向摩擦系數(shù)之比，其后又相繼作了一些相關(guān)的理論研究。2002年，國防科技技術(shù)大學(xué)研制了一個蛇形機器人樣機，該樣機不但可以實現(xiàn)平面內(nèi)運動，而且采用密封外皮后，能在水面上實現(xiàn)蜿蜒運動。

　　中科院沈陽自動化所機器人重點實驗室也開始了蛇形機器人的研究，并提出一種新型蛇形機器人結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)多種適應(yīng)環(huán)境的平面和空間運動形式，并作了深入的理論研究。沈陽航天航空大學(xué)等單位也開始蛇形機器人的相關(guān)研究工作。

　　研究方向

　　蛇形可重構(gòu)機器人系統(tǒng)的研究已經(jīng)引起了很多研究者的留意，仍需進(jìn)一步研究的內(nèi)容主要在以下幾個方面：

　　（1）蛇形機器人系統(tǒng)中模塊的功能．設(shè)計及實現(xiàn)方法．包括機器人的功能分析和功能的分配，模塊的軟、硬件功能分析，模塊描述方法的研究，軟、硬件模塊的設(shè)計，軟、硬件模塊自動或快速連接方法的研究．

　?。?）蛇形機器人的構(gòu)形設(shè)計．包括機器人所需完成任務(wù)描述方法的研究，機器人構(gòu)形表達(dá)方法的研究，機器人最優(yōu)構(gòu)形天生方法的研究．

　　（3）蛇形機器人的運動學(xué)和動力學(xué)研究應(yīng)主要考慮軟件的可重構(gòu)性．包括模塊運動學(xué)和動力學(xué)的分析方法，分布式模塊機器人運動學(xué)和動力學(xué)分析方法的研究．

　?。?）研究適用于可重構(gòu)蛇形機器人系統(tǒng)的可重構(gòu)實時控制軟件．包括機器人控制模塊的功能分析和劃分方法的研究，軟件重構(gòu)方法的研究．

　　應(yīng)用前景

　　蛇形機器人具有很多優(yōu)點，能夠應(yīng)用到很多復(fù)雜和危險的環(huán)境中。雖然蛇形機器人的研究尚處在實驗階段，但蛇形機器人有廣泛的應(yīng)用前景。蛇形機器人可以應(yīng)用到但不僅僅局限在以下各領(lǐng)域:

　　1)科學(xué)探險和狀況檢查:代替或部分代替人去完成危險環(huán)境中的作業(yè)是研制機器人的主要目的之一?？茖W(xué)探險是科學(xué)家探索大自然奧秘和豐富地質(zhì)資源的有利手段，但常常因為環(huán)境和氣候惡劣，無法到達(dá)目的地完成指定的探險任務(wù)。非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的作業(yè)和運動對機器人的性能和運動形式提出了非常嚴(yán)格的要求。

　　2)防恐防爆和災(zāi)難救援:自美國紐約的911事件之后，防恐防爆成為各個國家維護(hù)國家安全和人民生命財產(chǎn)不受侵害的主題。機器人學(xué)的研究人員制作了形式各異的機器人來代替人去完成防恐防爆和救援傷員的任務(wù)。蛇形機器人也適合于完成災(zāi)難救援任務(wù)。特別是蛇形機器人身體的各個部分都與地面接觸，對地面的壓力均勻而且非常小，適合在災(zāi)難后的危險建筑中運動和搜救。這些災(zāi)難主要包括:地震、爆炸、地質(zhì)陷落、龍卷風(fēng)和火災(zāi)等等。

　　3)醫(yī)療:設(shè)計小型的移動機器人，進(jìn)入人體器官(如腸道、血管)完成手術(shù)和定點給藥是機器人研究的一個新的熱門領(lǐng)域。如果將蛇形機器人做得非常小，就可以進(jìn)入人體的腸道完成作業(yè)。

　　4)航空航天:神州五號飛船的順利返航證明了中國在航空航天方面堅實的科學(xué)實力。探月工程的啟動表明中國政府探索外星系的決心和信心。正像美國的勇氣號和機遇號機器人在火星上執(zhí)行作業(yè)一樣，探月工程也需要機器人來完成各種作業(yè)。蛇形機器人有望在這方面得到應(yīng)用。

　　5)危險環(huán)境作業(yè):能夠用身體移動和操作是蛇形機器人有別于其它移動機器人的一大特性。它可以穿越狹小空間、進(jìn)入危險環(huán)境，然后完成操作任務(wù)。安裝合適的傳感器后，也可以應(yīng)用蛇形機器人來完成排雷任務(wù)。

　　6)軍事:蛇形機器人本身體形細(xì)小，加上合適的偽裝后，便于隱身。此外，如果蛇形機器人的每個單元都安裝上傳感器，那么它可以用甩掉關(guān)節(jié)的辦法來布置傳感器，形成一個大型的信息系統(tǒng)。

　　7)作為操作手:將蛇形機器人的一端固定，那么它就變成一個具有冗余自由度的操作手，可以完成復(fù)雜的抓取動作。例如:狹小空間的操作，復(fù)雜環(huán)境下的避碰操作等等。

　　綜上所述，蛇形機器人的研究對很多重要領(lǐng)域有著極其重要的意義。但我國在蛇形機器人的研究還在發(fā)展階段，還需要進(jìn)一步地發(fā)展。