蛇形機器人發(fā)展歷程及應(yīng)用前景分析

王元友，馬小林，張文敬， 劉占雙，程誠

（1.國網(wǎng)青海省電力公司檢修公司，青海 西寧 810000；2.睿策（河南）智能科技有限公司，河南 洛陽 471000）

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展催生出新型的移動性比較強的蛇形機器人，總的來講，蛇形機器人具有適應(yīng)性強且應(yīng)用范圍光的特點，這使得蛇形機器人逐漸發(fā)展成為研究的熱點。需要特別注意的是，蛇形機器人具有偽裝性強、隱蔽性高以及結(jié)構(gòu)集成化程度高等優(yōu)點，這使得其能夠很好地滿足軍事巡邏以及偵查等工作的需求，這意味著蛇形機器人的應(yīng)用范圍不斷得到拓展，對我國的建設(shè)發(fā)展起著極大的推動作用。

1 蛇形機器人演變過程

蛇形機器人的發(fā)展基礎(chǔ)是生物蛇。生物蛇的起源可以追溯到20 世紀40 年代，相關(guān)研究人員對蛇的形態(tài)特征進行了研究分析，同時將其運動形態(tài)分為蜿蜒運動、直線運動和側(cè)移運動等。蜿蜒運動的傳播特征為側(cè)波，隨著波的移動，蛇能夠?qū)崿F(xiàn)形態(tài)上的移動，同時運動的效率比較高，這種運動形態(tài)在比較平坦的地形中表現(xiàn)出比較強的適應(yīng)性。直線運動指的是生物蛇借助肌肉以及肋骨的交替性運動形式，促使身體向前移動，這種方式與毛蟲的爬行方式比較一致，但是整體的運動效率比較低，直線運動形態(tài)往往與其他形式的步態(tài)結(jié)合使用，在比較狹窄的區(qū)域內(nèi)比較適用。

鼓風(fēng)琴運動形態(tài)與蜿蜒運動較為相似，但是鼓風(fēng)琴運動往往是借助身體的向前牽引力，促使身體不斷向前運動，生物在樹上進行爬行時往往會借助這種運用形態(tài)。側(cè)移運動表現(xiàn)出螺線型的特征，身體可能出現(xiàn)橫向或者斜向的運動狀態(tài)，側(cè)移運動比較奠定的表現(xiàn)方式是沙漠中的響尾蛇，這樣的運動形態(tài)使得生物表現(xiàn)出比較強的適應(yīng)性，同時生物體在沿著樹干或者桿體進行爬動時往往會采用這樣的運動形態(tài)。側(cè)翼運動往往也具有一些螺旋線的運動特征，它借助的是螺旋內(nèi)側(cè)以及物體之間的相互摩擦來對身體進行穩(wěn)定，與彈簧伸縮的功能比較類似，此時生物體的身體可以實現(xiàn)移動。

在生物蛇研究內(nèi)容的基礎(chǔ)上，相關(guān)學(xué)者便開始對生物蛇的運動步態(tài)進行模擬，這也為智能機器人開創(chuàng)了一個新的領(lǐng)域，也就是蛇形機器人，之后多個國家的研究人員開始加入到蛇形機器人的研究行列當中，研究由淺入深。國內(nèi)對蛇形機器人的研究基本上集中在對其形態(tài)、運動學(xué)模型等進行研究上，這些理論內(nèi)容以及相關(guān)的研究實踐蛇形機器人的進一步發(fā)展以及技術(shù)優(yōu)化奠定了堅實基礎(chǔ)。

2 蛇形機器人的發(fā)展歷程

國外對蛇形機器人的研究起步比較早，同時蛇形機器人被運用在不同的領(lǐng)域內(nèi)，取得了可喜的應(yīng)用效果，對科技力量的提升提供了動力?？偟膩碇v，國內(nèi)對蛇形機器人的研究起步時間比國外相對晚些，然而研發(fā)的腳步卻在逐漸朝著國際先進水平靠近，同時也獲得了喜人的成果。通過查詢相關(guān)的文獻資料，對蛇形機器人的發(fā)展歷程進行了歸納總結(jié)，具體如下：

中國科學(xué)院的自動化研究團隊對蛇形機器人進行了研究，借助與日本研究團隊開展合作的方式，研制出代表性比較強的蛇形機器人巡視者二代和探查者一代。巡視者二代的組成部分是金屬材質(zhì)的若干個軀干單元，整體的長度在2m 左右，總質(zhì)量8kg，不同額單元部件之間借助特殊的萬向節(jié)結(jié)構(gòu)進行連接，能夠完成俯仰、滾轉(zhuǎn)等轉(zhuǎn)動動作，在每一節(jié)小的軀干單元當中都被裝有一定數(shù)量的體輪，它們的存在使得運動的阻力逐漸變小，促使體系的運行效率不斷提升，在整個蛇形機器人的頭部被安裝了視覺傳感系統(tǒng)以及GPS 定位系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對機器人運動狀態(tài)的輔助控制。

除此之外，這款機器人內(nèi)還配備電源，能夠?qū)崿F(xiàn)無線操作的狀態(tài)。在巡視者二代的基礎(chǔ)上，探查者三代逐漸出現(xiàn)在人們的視野當中。它能夠適應(yīng)水陸兩棲運動，整個機器人的主體部分為九節(jié)不同的軀干單元，機器人長度為1m 左右，總重量為7kg，為了能夠在水下表現(xiàn)出比較強的適應(yīng)性，在軀干單元的縱向方向上安裝了一定數(shù)量的從動輪，以此來代替體輪發(fā)揮出相應(yīng)的作用。

與此同時，這代機器人的不同單元之間也被添加了防水密封的裝置，不同單元內(nèi)部都具備兩個不同的伺服電機用于提供啟動動力，借助齒輪系統(tǒng)的不斷運來完成俯仰以及偏航等運動。如果左右方向的齒輪在相同的方向上進行運動，那么可以完成俯仰運動，若是左右方向的齒輪在相反的方向上進行運動，那么將會發(fā)生偏航的運動。

上海某大學(xué)對適用于爬行的CRS 機器人，這一機器人的總長為1.5m，總重量約為3kg，整個機器人的組成單元為若干個不同的俯仰以及滾動驅(qū)干單元，在其外面存在著提升接觸力的膠帶。

相比于其他形式的機器人，CRS 機器人的軀干單元兩側(cè)能夠完成徑向的轉(zhuǎn)動，中間可以圍繞著轉(zhuǎn)軸進行轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)對徑向轉(zhuǎn)動角度的有效控制，此時機器人能夠?qū)崿F(xiàn)對繞柱爬行的功能。國防科技大學(xué)對蛇形機器人進行了研制，全長為1.2m，總重量為2kg，從而實現(xiàn)蜿蜒運動形態(tài)，最高時速可以達到1.2km，這一機器人的頭部被安裝視頻采集的裝置，目前關(guān)于此種機器人的資料相對較少。北京信息科技大學(xué)正在研發(fā)一種新型蛇形機器人，機器人全長為1.2m，總重量為2.5kg，此種機器人的軀干單元數(shù)量為9 個，同時一個軀干單元為分體單元。

在每一個軀干單元內(nèi)都被安裝了控制系統(tǒng)以及電池電源組，在分體單元內(nèi)部被安裝了伺服電機。不同的結(jié)構(gòu)單元之間借助伺服電機進行連接，在水平方向上安裝的電機結(jié)構(gòu)能夠完成俯仰的運動形式，垂直方向上的電機能夠完成偏航運動。

在不同的軀干單元之間都存在著一對從動裝置輪，在從動輪與不同的單元體系之間能夠借助伺服電機進行連接，從而實現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形的目的。這一機器人的運動形態(tài)是多種多樣的，同時能夠借助身上所佩戴的溫濕度、氣體以及壓力等傳感裝置來對周圍環(huán)境狀態(tài)進行感應(yīng)，結(jié)合外界環(huán)境的動態(tài)變化，同時借助變形或者分體等不同的途徑來實現(xiàn)對參數(shù)的有效調(diào)整，從而更好地適應(yīng)相對比較惡劣的環(huán)境狀態(tài)，提升蛇形機器人自身的適應(yīng)能力，這為蛇形機器人應(yīng)用發(fā)展提供了前提條件。

3 蛇形機器人的應(yīng)用前景

蛇形機器人的運動環(huán)境逐漸由二維平面形式朝著三維的平面環(huán)境發(fā)展。站在理論層面上對蛇形機器人進行分析，蛇形機器人的運動主要集中在二維平面上，在實驗室、核電站等路面比較平坦的環(huán)境中適應(yīng)性比較強。但是這類機器人在叢林、草地、戈壁等障礙物比較多以及比較崎嶇的環(huán)境中進行應(yīng)用比較受限，因此相關(guān)研究人員對蛇形機器人的三維運動形式進行了研究。蛇形機器人的研究成果還可應(yīng)用于類似的機器人裝置。如國網(wǎng)青海省電力公司檢修公司與睿策（河南）智能科技有限公司正在聯(lián)合研制一種二次電纜鋪設(shè)裝置，該裝置能自動拖動電纜在電纜溝內(nèi)進行電纜鋪設(shè)工作。

該裝置吸收了蛇形機器人的相關(guān)技術(shù)優(yōu)點，簡化了關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，采用伺服電機驅(qū)動，具有一定的自動避障功能；并且根據(jù)工作需要增加了電纜拖動和夾持裝置以及力傳感器系統(tǒng)，能夠拖動5kg 電纜在電纜溝內(nèi)連續(xù)正常工作不低于1h。在對蛇形機器人進行運動控制的過程中，一種控制模型的理論基礎(chǔ)為動力學(xué)，另外一種是CPG 神經(jīng)生理學(xué)知識。

在結(jié)構(gòu)環(huán)境背景下，機器人運動控制的研究直觀、便于理解，然而在非結(jié)構(gòu)的背景環(huán)境中，所建立起來的模型比較復(fù)雜。利用CPG 方法進行控制，對機器人物理模型的依賴性比較弱，以此來實現(xiàn)提升控制信號可靠性的作用，同時此種方式的穩(wěn)定性更好，結(jié)合自適應(yīng)的控制學(xué)理論知識，蛇形機器人的運動步態(tài)仿生的效果能夠得到有效提升。

日本對蛇形機器人的投資主要表現(xiàn)在教育、文化等領(lǐng)域創(chuàng)建蛇形機器人的科學(xué)研究創(chuàng)新項目，同時旨在將其運用在抗震救災(zāi)等工作過程中，為國民的生活帶來便利。美國對于蛇形機器人的研究受到了相關(guān)的科學(xué)研究基金、研究局等頂級部門的資助，同時也受到青年研究部門的有效資助。

我國蛇形機器人的研究同樣受到了比較高的重視，受到了不同省區(qū)以及地方的重視，比如國家技術(shù)研究發(fā)展項目、青年人才項目等，這都為當今蛇形機器人性能的進一步優(yōu)化奠定了堅實基礎(chǔ)，也使得蛇形機器人的應(yīng)用范圍不斷得到拓展，為我國科技力量的提升提供強大的推動力，促使國家建設(shè)發(fā)展。

4 結(jié)語

隨著科學(xué)信息技術(shù)水平的提升，智能機器人不再是新鮮事物，社會的發(fā)展逐漸催生出蛇形機器人，這一研究為我國智能機器人的發(fā)展重新開拓了新的空間。研究人員近些年來致力于對蛇形機器人的研究，同時其性能不斷得到優(yōu)化，這為其發(fā)展前景的拓寬提供了強大的支持，促使我國智能機器人行業(yè)快速發(fā)展。