謝哲東　張?zhí)硪?/p>

摘 要：隨著仿生技術(shù)的不斷進步，機器人領(lǐng)域的不斷拓展，仿生機器人的研究逐漸成為各位學者、專家關(guān)注的焦點，這也大大擴展了機器人的應(yīng)用領(lǐng)域。本文闡述了蛇形機器人應(yīng)用背景和發(fā)展現(xiàn)狀，并根據(jù)當前國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀對其展望了未來的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：蛇形機器人；國內(nèi)外發(fā)展；應(yīng)用領(lǐng)域；發(fā)展趨勢

中圖分類號：TP24 文獻標識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20171032031

引言

隨著生物的不斷進化，如今的生物都具有很強的運動能力和環(huán)境適應(yīng)能力，這引起許多科學家的注意，而隨著仿生學的不斷進步，仿生機器人便應(yīng)運而生。而生物蛇由于其細長的身體結(jié)構(gòu)及特有的活動方式，具有很強的環(huán)境適應(yīng)能力和在地面穩(wěn)定運動的特點，在機器人領(lǐng)域中是特有的存在。它特有的優(yōu)勢使它擁有廣闊的發(fā)展前景。

身體緊貼地面、降低重心的爬行運動模式使其運動具有較強的穩(wěn)定性；通過身體的擺動與地面產(chǎn)生摩擦，從而獲得前進動力的運動方式具有自主可調(diào)控的避障越障的能力；細長的身體和多種運動步態(tài)使其可以通過多種崎嶇復雜的路段，甚至具有攀爬立柱的運動能力；由于蛇形機器人能夠在人類難以到達的未知環(huán)境中工作，具有隱蔽性，增加安全系數(shù)，減少人力，減少因疲勞所帶來的一系列誤差等因素，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，代替人完成人類主觀想要完成的復雜作業(yè)。因此被廣泛應(yīng)用到軍事領(lǐng)域、科學探險、救災搶險、工業(yè)檢測等多個領(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，可以將雷達檢測器應(yīng)用在蛇形機器人身上，通過蛇形機器人的快速運動已達到迅速掃雷、避雷的作用。同時，因為蛇形機器人細長的身體結(jié)構(gòu)，在戰(zhàn)場或者諜報工作時具有一定的隱蔽性，以達到探測、竊取情報甚至起到定點引爆的工作。

民用領(lǐng)域（救災搶險）：因為蛇形機器人具有超強的環(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的工作執(zhí)行能力；在災后廢墟中搶救、尋找幸存者能發(fā)揮巨大的高效作用。

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

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

1 蛇形機器人國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外的研究

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

再到德國Karl.L.Paap研制的GMD蛇形機器人，如圖2所示，但是GMD機器人優(yōu)缺點明顯，它雖然具有較強的靈活運動能力，但在機頭每次抬起時，由于受到機頭的重力作用，導致關(guān)節(jié)向下彎曲，造成控制失靈，無法正常工作的結(jié)果。

1999年，美國開始研制NASA蛇形機器人，如圖3所示，他們改進了之前由卡耐基梅隆大學研制的CMU蛇形機器人，并計劃將其應(yīng)用在太空，應(yīng)用于行星地表探測以及空間站維護工作，該蛇形機器人可以靈活地在復雜的行星表面穿梭，并獨立規(guī)劃路徑以達到避障的效果。

1.2 國內(nèi)的研究

1999年3月，由上海交通大學崔顯世、顏國正研制出的我國第一臺微小型仿蛇機器人樣機。在之后的中科院沈陽自動化所，以馬書根為核心的機器人研發(fā)團隊所研制出的蛇形機器人巡視者 II 和探查者Ⅲ，為我國星球探測和災難救援等領(lǐng)域的應(yīng)用提供技術(shù)支持，如圖4所示。

2 蛇形機器人的結(jié)構(gòu)類型

因為生物蛇活動方式的多變靈活性，所以目前一般的蛇形機器人機械結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計思想，由多個相同的單元體模塊首尾串聯(lián)依次連接而成，每個模塊都具有獨立的驅(qū)動和控制系統(tǒng)，可以產(chǎn)生有限范圍內(nèi)的相對運動。通過主機控制各模塊的運動時序，相互協(xié)調(diào)，蛇形機器人可以實現(xiàn)多種運動形式。如果需要完成特定的工作需要在“蛇頭”添加傳感或者視覺等機構(gòu)。

蛇形機器人的關(guān)節(jié)選取直接決定了其運動的方式，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)的運動。難于適應(yīng)復雜環(huán)境。

2.2 正交連接關(guān)節(jié)

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

2.3 萬向節(jié)連接關(guān)節(jié)

萬向節(jié)連接關(guān)節(jié)的蛇形機器人相對于其它連接方式運動最為靈活。制作成本較高，加工要求很高的精度，控制比較困難，可完成三維運動。

2.4 P-R關(guān)節(jié)

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

通過關(guān)節(jié)的相互協(xié)作，會使蛇形機器人產(chǎn)生多種不同的運動模式，總結(jié)成如下表分類。

3 展望

從現(xiàn)有的蛇形機器人來看，未來機器人連接方式的開發(fā)將遵循通用性、經(jīng)濟性和魯棒性的原則，其結(jié)構(gòu)的設(shè)計將沿著可重構(gòu)性發(fā)展，而目前所研制的蛇形機器人存在共同的問題便是機器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動多采用內(nèi)置舵機轉(zhuǎn)位，關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)復雜，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)計結(jié)構(gòu)簡單、易于控制、運動靈活的連接方式，是人們必須面對和函待解決的問題。因此，以仿蛇形機器人發(fā)展前景和目前存在的問題展開研究，為了實現(xiàn)多個模塊化關(guān)節(jié)協(xié)同運動控制，可以嘗試設(shè)計一種采用拉線驅(qū)動2自由度完全正交輸出關(guān)節(jié)組成的蛇形機器人，有助于提高蛇形機器人的靈活性、高能效、精巧性的應(yīng)用技術(shù)水平，提高對復雜環(huán)境的適應(yīng)能力，對蛇形機器人的發(fā)展提供新鮮的研究途徑。

參考文獻

[1]蘇中，張雙彪，李興城.蛇形機器人的研究與發(fā)展綜述[J].中國機械工程，2015，26（3）：414-425.

[2]陳麗，王越超，李斌.蛇形機器人研究現(xiàn)況與進展[J].ROBOT，2002，24（6）：559-563.

[3]林永光.一種具有空間關(guān)節(jié)的蛇形機器人系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].燕山：燕山大學（碩士論文），2006：2-6.

作者簡介：謝哲東（1974-），男，吉林長春，博士，研究方向：先進制造技術(shù)與裝備及機器人技術(shù)；張?zhí)硪唬?992-），男，吉林長春，碩士，研究方向：蛇形機器人。endprint