蛇形機(jī)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(jī)器人，其速度可達(dá)40厘米/秒。而美國(guó)的蛇形機(jī)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(guó)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(xiǎn)的蛇形機(jī)器人，它能在一些復(fù)雜地形行走時(shí)如履平地，運(yùn)動(dòng)十分靈活，并具有探測(cè)、偵探等多種功能。

　　背景知識(shí)

　　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(wú)窮無(wú)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(dòng)人類社會(huì)發(fā)展。從小鳥(niǎo)的展翅飛翔，到形狀各異的風(fēng)箏，還有后來(lái)更為先進(jìn)的飛機(jī)。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(duì)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(yùn)動(dòng)和功能，理解和獲取有利的運(yùn)動(dòng)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(mén)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。可以說(shuō)仿生學(xué)的研究對(duì)科學(xué)技術(shù)和社會(huì)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(diǎn)課題。生命系統(tǒng)的自主運(yùn)動(dòng)和適應(yīng)能力的物理實(shí)現(xiàn)不僅能夠把人從繁重、危險(xiǎn)、單調(diào)乏味的工作環(huán)境中解脫出來(lái)，而且能夠代替人在危險(xiǎn)場(chǎng)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(jì)中，尤其對(duì)當(dāng)今日益發(fā)展的機(jī)器人學(xué)科起到了巨大的推動(dòng)作用，促進(jìn)了仿生機(jī)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(dòng)物，甚至有很多人不愿意提及或看到這種動(dòng)物。從圣經(jīng)上的關(guān)于蛇的描寫(xiě)到中國(guó)寓言中農(nóng)夫和蛇的故事，無(wú)不反映出蛇陰險(xiǎn)和可怕的一面。當(dāng)然它本身與眾不同的移動(dòng)方式，也使人們產(chǎn)生恐慌和害怕，從而避而遠(yuǎn)之。其實(shí)蛇是非常有益于人類的動(dòng)物，它可以消滅老鼠等害蟲(chóng)，而且對(duì)于整個(gè)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(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)和研究蛇形機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)，是從仿生學(xué)的角度出發(fā)研制有利于人類社會(huì)的機(jī)器人。當(dāng)代機(jī)器人的研究領(lǐng)域己經(jīng)從結(jié)構(gòu)環(huán)境下的定點(diǎn)作業(yè)向非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的自主作業(yè)發(fā)展。機(jī)器人被急切需要應(yīng)用到環(huán)境復(fù)雜、高度危險(xiǎn)和人類無(wú)法進(jìn)入的場(chǎng)合完成作業(yè)。除了傳統(tǒng)的車型設(shè)計(jì)方法外，機(jī)器人學(xué)者把目光轉(zhuǎn)向了生物界，力求從具有各種運(yùn)動(dòng)特征的動(dòng)植物上獲得啟發(fā)，設(shè)計(jì)新的仿生機(jī)器人。蛇形機(jī)器人就是在這種條件下孕育而生的。蛇的各種獨(dú)特的運(yùn)動(dòng)特性賦予蛇形機(jī)器人以多種功能。蛇形機(jī)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(diǎn)使其吸引了國(guó)內(nèi)外眾多機(jī)器人學(xué)研究人員展開(kāi)了對(duì)蛇形機(jī)器人的研究。

　　國(guó)內(nèi)外研究

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

　　第一代蛇形機(jī)器人

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

　　第二代蛇形機(jī)器人

　　SolidSnake利用垂直和水平方向正交的關(guān)節(jié)來(lái)擬和蛇類生物柔軟的身體，每?jī)蓚€(gè)正交的關(guān)節(jié)組成一個(gè)單元體，每個(gè)單元體相當(dāng)于一個(gè)萬(wàn)向節(jié)，具有兩個(gè)方向的自由度，整體形成一個(gè)高冗余度的結(jié)構(gòu)體。這樣的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)使蛇體具有向任何方向彎曲的能力。第二代蛇形機(jī)器人SolidSnakeII蛇形機(jī)器人充分考慮了蛇類生物的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，從仿生學(xué)的角度，結(jié)合機(jī)器人動(dòng)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(yùn)動(dòng)學(xué)模型，把蛇類生物的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)形式化解為局部的、簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)形式。采用模塊化設(shè)計(jì)思路，每個(gè)關(guān)節(jié)均可很容易進(jìn)行拆卸。機(jī)器蛇的8個(gè)關(guān)節(jié)整體形成一個(gè)高冗余度的結(jié)構(gòu)體，很容易模仿實(shí)現(xiàn)蛇體的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)形式。為了減少機(jī)器蛇的運(yùn)動(dòng)中的摩擦阻力，在機(jī)器蛇兩側(cè)安裝有從動(dòng)輪，實(shí)現(xiàn)了蛇體的平穩(wěn)游動(dòng)，增強(qiáng)了蛇形機(jī)器人的靈活性和機(jī)動(dòng)性。采用輕型耐磨塑料制造蛇形機(jī)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(jī)器人設(shè)有多項(xiàng)預(yù)留位置，如配備局部控制器、位置及力矩侍服器、從動(dòng)輪鎖死裝置等配套裝置，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器蛇環(huán)境識(shí)別和自主運(yùn)動(dòng)。在機(jī)器蛇的頭部配置有紅外線探測(cè)頭，可反饋對(duì)環(huán)境的監(jiān)視數(shù)據(jù)。

　　在電路設(shè)計(jì)上采用485總線聯(lián)接。上位機(jī)為PC機(jī)控制，通過(guò)對(duì)總線的定時(shí)輪詢來(lái)實(shí)現(xiàn)隨時(shí)插拔關(guān)節(jié)。此設(shè)計(jì)能方便地實(shí)現(xiàn)替換任意關(guān)節(jié)，能根據(jù)不同任務(wù)隨時(shí)拆卸安裝新的關(guān)節(jié)，甚至實(shí)現(xiàn)帶電插拔，極大的增強(qiáng)了蛇形機(jī)器人的可靠性和耐用性。

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

　　日本蛇形機(jī)器人

　　上個(gè)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(kāi)始了蛇形機(jī)器人的研究。Hirose教授于1972年研制了第一臺(tái)蛇形機(jī)器人（ActiveCordMechanism-ACMIII）。該機(jī)器人的總長(zhǎng)為2m，具有20個(gè)關(guān)節(jié)，依靠伺服機(jī)構(gòu)來(lái)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)左右擺動(dòng)。為與地面有效地接觸，該機(jī)器人的腹部安裝了腳輪。該機(jī)器人的最大速度為40cm/s，只能在平面上運(yùn)動(dòng)。繼第一臺(tái)蛇形機(jī)器人之后，Hirose教授的研究室又先后研制了一系列的蛇形機(jī)器人。ACM-R3是最近的研究成果，ACM-R3機(jī)器人采用完全無(wú)線控制的方式，每個(gè)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(yùn)動(dòng)和完成復(fù)雜的三動(dòng)作。

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

　　NASA的JPL采用了NEC的蛇形機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種Serpentinerobot，該機(jī)器人約1m長(zhǎng)，直徑4cm，重量為3.18kg，具有12個(gè)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(guó)的GMD研制了蛇形機(jī)器人。該機(jī)器人采用繩索驅(qū)動(dòng)，具有較好的柔性。此外，在蛇形機(jī)器人上安裝了紅外線傳感器來(lái)檢測(cè)環(huán)境信息。

　　此外，還有很多蛇形機(jī)器人先后被開(kāi)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(jì)出一種用于火星表面探測(cè)的蛇形機(jī)器人，目前正在努力改進(jìn)。這種機(jī)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(jī)器人可以成為火星探測(cè)的極好工具，ESA似乎也同意這一點(diǎn)。SINTEF剛剛從歐洲太空總署(EuropeanSpaceAgency，簡(jiǎn)稱ESA)獲得了50萬(wàn)挪威克朗(約合85,000美元)的資金，用于研制這種蛇形機(jī)器人。

　　SINTEF的研究人員表示，蛇形機(jī)器人將不會(huì)取代已有的火星探測(cè)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(gè)備選方案，使火星車和蛇形機(jī)器人能夠在一起工作。由于火星車具有強(qiáng)大的能源裝置，它可以通過(guò)電纜為蛇形機(jī)器人提供能源。如果蛇形機(jī)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(huì)失去它。“SINTEF高級(jí)研究科學(xué)家AkselTranseth解釋說(shuō)。

　　“有一種選擇是將蛇形機(jī)器人裝進(jìn)火星車的機(jī)械臂中，并使它具備與該機(jī)械臂斷開(kāi)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(dú)立活動(dòng)。”Transeth補(bǔ)充說(shuō)。

　　對(duì)研究人員來(lái)說(shuō)，這將是一個(gè)理想的方案。這個(gè)方案允許火星車進(jìn)行遠(yuǎn)距離旅行，而讓蛇形機(jī)器人去探索那些難以靠近的地方。蛇形機(jī)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(cè)活動(dòng)。

　　在理想的情況下，蛇形機(jī)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(jī)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(jī)器人將能夠協(xié)助它擺脫困境。”SINTEF高級(jí)研究員PALLiljeb?ck說(shuō)，“當(dāng)火星車被困，蛇形機(jī)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(guò)電纜絞車的方式擺脫束縛。”

　　SINTEF還沒(méi)有制造出這種蛇形機(jī)器人蛇的活動(dòng)原型。但研究人員說(shuō)，這項(xiàng)工作將在幾個(gè)月內(nèi)完成。

　　國(guó)內(nèi)研究情況

　　在我國(guó)，蛇形機(jī)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(jī)器人研究所，上海交通大學(xué)等單位首先進(jìn)行了蛇形機(jī)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(guó)正于1999年3月研制了我國(guó)第一臺(tái)微小型仿蛇機(jī)器人樣機(jī)，該機(jī)構(gòu)由一系列剛性連桿連接而成，步進(jìn)電機(jī)控制相鄰兩剛性連桿之間的

　　沈陽(yáng)航空航天大學(xué)蛇形機(jī)器人

　　夾角，使連桿可以在水平面內(nèi)擺動(dòng)，樣機(jī)底面裝有滾動(dòng)軸承作為被動(dòng)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(guó)防科技技術(shù)大學(xué)研制了一個(gè)蛇形機(jī)器人樣機(jī)，該樣機(jī)不但可以實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，而且采用密封外皮后，能在水面上實(shí)現(xiàn)蜿蜒運(yùn)動(dòng)。

　　中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所機(jī)器人重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室也開(kāi)始了蛇形機(jī)器人的研究，并提出一種新型蛇形機(jī)器人結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)多種適應(yīng)環(huán)境的平面和空間運(yùn)動(dòng)形式，并作了深入的理論研究。沈陽(yáng)航天航空大學(xué)等單位也開(kāi)始蛇形機(jī)器人的相關(guān)研究工作。

　　研究方向

　　蛇形可重構(gòu)機(jī)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(gè)方面：

　　（1）蛇形機(jī)器人系統(tǒng)中模塊的功能．設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方法．包括機(jī)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(jì)，軟、硬件模塊自動(dòng)或快速連接方法的研究．

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

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

　　（4）研究適用于可重構(gòu)蛇形機(jī)器人系統(tǒng)的可重構(gòu)實(shí)時(shí)控制軟件．包括機(jī)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(jī)器人具有很多優(yōu)點(diǎn)，能夠應(yīng)用到很多復(fù)雜和危險(xiǎn)的環(huán)境中。雖然蛇形機(jī)器人的研究尚處在實(shí)驗(yàn)階段，但蛇形機(jī)器人有廣泛的應(yīng)用前景。蛇形機(jī)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(xiǎn)和狀況檢查:代替或部分代替人去完成危險(xiǎn)環(huán)境中的作業(yè)是研制機(jī)器人的主要目的之一?？茖W(xué)探險(xiǎn)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?yàn)榄h(huán)境和氣候惡劣，無(wú)法到達(dá)目的地完成指定的探險(xiǎn)任務(wù)。非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的作業(yè)和運(yùn)動(dòng)對(duì)機(jī)器人的性能和運(yùn)動(dòng)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(guó)紐約的911事件之后，防恐防爆成為各個(gè)國(guó)家維護(hù)國(guó)家安全和人民生命財(cái)產(chǎn)不受侵害的主題。機(jī)器人學(xué)的研究人員制作了形式各異的機(jī)器人來(lái)代替人去完成防恐防爆和救援傷員的任務(wù)。蛇形機(jī)器人也適合于完成災(zāi)難救援任務(wù)。特別是蛇形機(jī)器人身體的各個(gè)部分都與地面接觸，對(duì)地面的壓力均勻而且非常小，適合在災(zāi)難后的危險(xiǎn)建筑中運(yùn)動(dòng)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(jì)小型的移動(dòng)機(jī)器人，進(jìn)入人體器官(如腸道、血管)完成手術(shù)和定點(diǎn)給藥是機(jī)器人研究的一個(gè)新的熱門(mén)領(lǐng)域。如果將蛇形機(jī)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(hào)飛船的順利返航證明了中國(guó)在航空航天方面堅(jiān)實(shí)的科學(xué)實(shí)力。探月工程的啟動(dòng)表明中國(guó)政府探索外星系的決心和信心。正像美國(guó)的勇氣號(hào)和機(jī)遇號(hào)機(jī)器人在火星上執(zhí)行作業(yè)一樣，探月工程也需要機(jī)器人來(lái)完成各種作業(yè)。蛇形機(jī)器人有望在這方面得到應(yīng)用。

　　5)危險(xiǎn)環(huán)境作業(yè):能夠用身體移動(dòng)和操作是蛇形機(jī)器人有別于其它移動(dòng)機(jī)器人的一大特性。它可以穿越狹小空間、進(jìn)入危險(xiǎn)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(jī)器人來(lái)完成排雷任務(wù)。

　　6)軍事:蛇形機(jī)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(jī)器人的每個(gè)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(lái)布置傳感器，形成一個(gè)大型的信息系統(tǒng)。

　　7)作為操作手:將蛇形機(jī)器人的一端固定，那么它就變成一個(gè)具有冗余自由度的操作手，可以完成復(fù)雜的抓取動(dòng)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(jī)器人的研究對(duì)很多重要領(lǐng)域有著極其重要的意義。但我國(guó)在蛇形機(jī)器人的研究還在發(fā)展階段，還需要進(jìn)一步地發(fā)展。