條帶狀機(jī)器人研究意義與現(xiàn)狀

摘 ?要：條帶狀機(jī)器人屬于特種機(jī)器人范疇，目前科技發(fā)展和人們生活環(huán)境的多元化，急需要對該類機(jī)器人加大研究開發(fā)力度。該領(lǐng)域現(xiàn)有的技術(shù)手段和研究方向也才產(chǎn)生了多種分支。文中簡述了條帶狀機(jī)器人的研究意義和研究現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞：條帶狀;機(jī)器人;研究現(xiàn)狀

1、條帶狀機(jī)器人研究意義

機(jī)器人是當(dāng)前世界各國人民生產(chǎn)與生活中應(yīng)用越來越廣泛的設(shè)備。在地質(zhì)災(zāi)害收救及軍事任務(wù)中，特殊的地面環(huán)境對工作人員的行動起到極大的阻礙作用。這為機(jī)器人領(lǐng)域的研究進(jìn)步帶來了巨大的動力。傳統(tǒng)上的中小型機(jī)器人主要有輪式機(jī)器人和履帶式機(jī)器人與各種各樣的仿生機(jī)器人。綜合比較而言，條帶狀機(jī)器人是一種特殊的仿生機(jī)器人，所具備的優(yōu)勢如下：

a、條帶狀機(jī)器人可緊貼附著物運動，進(jìn)而具有較低的重心，行進(jìn)過程相對穩(wěn)定;

b、條帶狀機(jī)器人的特殊的體型造就了它可以適應(yīng)復(fù)雜運動環(huán)境;

c、條帶狀機(jī)器人運動能耗低。

條帶狀機(jī)器人憑借其獨特的構(gòu)造，能夠適應(yīng)復(fù)雜多變的環(huán)境特點，成為目前機(jī)器人研究領(lǐng)域的一個重要組成部分。尤其是條帶狀機(jī)器人的形體優(yōu)勢在軍事領(lǐng)域很容易應(yīng)對戰(zhàn)場偵察，危險場所的巡檢，定向目標(biāo)打擊等，同時條帶狀機(jī)器人在民用產(chǎn)業(yè)也擁有廣闊的前景，如礦井氣體檢測，各類管道的檢測，核電廠輻射監(jiān)測等工作人員不易到達(dá)的環(huán)境或場所，都可以使用成本較低的蛇形機(jī)器人進(jìn)行相關(guān)任務(wù)的執(zhí)行。例如采用條帶狀機(jī)器人完成清堵任務(wù)。由于下水道空間小，下水道內(nèi)污物多，并且多數(shù)下水管深埋于地下。尤其是在城市中，很多下水道深埋于路基下，下水道堵塞清理工作是一項較大的工程問題。傳統(tǒng)上人們需要將道路挖掘開來分段對堵塞位置檢查。目前國內(nèi)外主要研究使用履帶式機(jī)器人完成該類工作，由于自身結(jié)構(gòu)限制，履帶式機(jī)器人主要停留在大空間下水道堵塞研究領(lǐng)域，其局限性非常大。為解決各類尺寸的下水道堵塞，可由條帶狀機(jī)器人完成下水道的堵塞位置尋找，并完成堵塞處的疏通工作。

2、條帶狀機(jī)器人現(xiàn)狀和發(fā)展

條帶狀機(jī)器人最先被國外科研人員開發(fā)應(yīng)用，上世紀(jì)七十年代，日本東京工業(yè)大學(xué)研究人員最先對蛇類的運動步態(tài)進(jìn)行了研究。同時，率先打開了智能條帶狀機(jī)器人的研究大門，緊接著美洲、歐洲、亞洲多國開展了條帶狀機(jī)器人在不同領(lǐng)域的研究，并產(chǎn)生多個研究方向的分化，在過去的幾十年間條帶狀機(jī)器人的理論研究呈現(xiàn)出多樣化，人們根據(jù)特定的目標(biāo)展開了不同領(lǐng)域的研究。國內(nèi)外在條帶狀機(jī)器人的理論領(lǐng)域產(chǎn)生豐富的研究成果，主要包含形狀結(jié)構(gòu)、運動學(xué)模型、動力學(xué)模型、步態(tài)控制與穩(wěn)定性分析五方面。目前條帶狀機(jī)器人在工程技術(shù)領(lǐng)域衍生出多種結(jié)構(gòu)類型，存在的主要特點有：拖尾（電源線），多電機(jī)組，有輪等。多數(shù)的條帶狀機(jī)器人主要采用一系列的電機(jī)組構(gòu)建條帶狀機(jī)器人本體，運動缺乏靈動性;并且不能在大負(fù)荷的條件下完成相關(guān)的任務(wù)執(zhí)行，主要停留在現(xiàn)場偵察和數(shù)據(jù)收集領(lǐng)域，在實際應(yīng)用領(lǐng)域未能解決能耗問題帶來的限制，依靠外部電纜和信號控制線，極大的制約了該類機(jī)器人的使用功能和領(lǐng)域。

2.1 國內(nèi)條帶狀機(jī)器人現(xiàn)狀和發(fā)展

國內(nèi)研究人員在條帶狀機(jī)器人理論與模型設(shè)計等方面上也取得了較為豐厚的成果。李立等[1]，通過 Morison 算法創(chuàng)立了蛇形機(jī)器人的水力學(xué)結(jié)構(gòu)模型。針對機(jī)器人水下運動的速度進(jìn)行了一系列的仿真驗證。尤其是三維步態(tài)控制各關(guān)節(jié)的相對轉(zhuǎn)角，實現(xiàn)機(jī)器人身體相應(yīng)部位的靈活轉(zhuǎn)向動作。把條帶狀機(jī)器人分為多個關(guān)節(jié)，通過調(diào)控各個關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角實現(xiàn)機(jī)器人整體運動，并且采用了閉環(huán)控制增強(qiáng)了可控性。該團(tuán)隊數(shù)據(jù)展示，在機(jī)器人前進(jìn)過程中，機(jī)器人頭部運動狀態(tài)能夠得到有效的控制。郭憲等[2]從微分幾何角度分析入手將帶有被動輪的蛇形機(jī)器人將動力學(xué)方面因素投影到速度分布空間內(nèi)，完成了控制中心與動力學(xué)相統(tǒng)一的系統(tǒng)體系。魏武等[3]通過生物蛇對繩、纜攀爬運動狀態(tài)，使用迭代鏈擬合算子與幀提取技術(shù)，針對蛇身曲線運動過程進(jìn)行擬合，產(chǎn)生類似的運動步態(tài)。盧振利等[4、5]根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的特點，組建了反饋抑制發(fā)生器（CPG），到達(dá)了對蛇形機(jī)器人多步態(tài)控制。主要包含二維、三維控制，并能夠完成相應(yīng)的步態(tài)切換。在此又進(jìn)一步研究構(gòu)建了深層次化CPG模型，優(yōu)化蛇形機(jī)器人三維運動狀態(tài)的控制，減少了蛇形機(jī)器人對動力模型的依賴性。通過控制中心輸出不同的信號，完成對蛇身關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動控制，進(jìn)而滿足機(jī)器人的蜿蜒運動。王智鋒等從能量傳送的規(guī)律入手，提出了被動蜿蜒控制方式，可以讓機(jī)器人被動檢測環(huán)境數(shù)據(jù)，通過自身能量狀態(tài)實現(xiàn)對外部環(huán)境的適應(yīng)[6]。經(jīng)過對單向連接CPG模型的推算分析，給出新的反饋式CPG模型，分析了CPG數(shù)據(jù)在蜿蜒運動中的作用，經(jīng)過仿真與實驗兩方面論證了步態(tài)控制CPG模型[7]。唐超權(quán)等通過對蛇形機(jī)器人運動過程中存在的參數(shù)和機(jī)器人各個關(guān)節(jié)動作的幅值做參考，設(shè)計出了多模態(tài)中樞模式發(fā)生器控制策略;并通過建立外部激勵與模型參數(shù)之間的約束，使得條帶狀機(jī)器人在多模態(tài)中樞模式發(fā)生器控制下具有三維 運動能力以及相應(yīng)的環(huán)境適應(yīng)能力[8]。

2.2 ?國外條帶狀器人技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展

多數(shù)的條帶狀機(jī)器人研究團(tuán)隊通過對蛇類或帶魚類的運動步態(tài)作為研究依據(jù)，但是該類仿生機(jī)器人模仿對象存在運動狀態(tài)的多元化，但很難設(shè)計出夠復(fù)制所有運動步態(tài)的類型機(jī)器人。大多數(shù)條帶狀機(jī)器人采用車輪結(jié)構(gòu)完成橫向運動。雖然有些條帶狀機(jī)器人的設(shè)計考慮到一定的蛇類或者帶魚類部分運動步態(tài)，如能橫向起伏，但往往不能夠靈活執(zhí)行其相應(yīng)運動步態(tài)。不過，這些機(jī)器人可以使用額外的運動步態(tài)模式如滾動。

希羅斯的RST機(jī)器人，有源繩索機(jī)構(gòu)（ACM）在1972開發(fā)，使用被動輪[9]。他隨后研制了ACM II和ACM III [10]。希羅斯此后進(jìn)一步對ACM R3機(jī)器進(jìn)行了升級改造如圖1。在機(jī)器蛇的各關(guān)節(jié)側(cè)面裝有驅(qū)動輪。新的設(shè)計能夠抬起車身穿越低障礙物，采用車輪自由滾動穿越障礙。

Komura [11]開發(fā)的ACM R8是在ACM系列中開發(fā)的機(jī)器人。ACM R8是ACM R4.2的繼承者，屬于主動輪條帶狀機(jī)器人。ACM-R8機(jī)器人的主要目標(biāo)是能夠爬出比自身更高的臺階，并且具有與環(huán)境交互的潛力，比如操作門把手。Komura得出結(jié)論，條帶狀機(jī)器人特別擅長爬樓梯，并且具有抓握能力。但是該機(jī)器缺乏相應(yīng)的環(huán)境檢測處理裝置，機(jī)器人的實用性有待提高。2016 Hosei university[12]開發(fā)了一種基于自動臺面設(shè)計的蛇形機(jī)器人。半自主、串聯(lián)式多履帶機(jī)器人是用于城市搜救作業(yè)的機(jī)器人。它是電池供電和遙控，目的是易于使用未經(jīng)訓(xùn)練的救援人員。因此，遠(yuǎn)程控制宏操作，而機(jī)器人被動地控制關(guān)節(jié)以避免碰撞。機(jī)器人沒有傳感器，而是使用給定的長度線來約束關(guān)節(jié)，使得機(jī)器人將圍繞障礙物變形并繼續(xù)沿著期望的方向運動，這使得機(jī)器人易于操作。

2010 Liljeba¨ck改進(jìn)設(shè)計出 e Kulko蛇形機(jī)器人，是一種具備穿越障礙物的蛇形機(jī)器人[13 ]。Liljeba¨ck認(rèn)為要想實現(xiàn)智能穿過障礙物，蛇形機(jī)器人不僅需要光滑的外表面也需要靈敏的力學(xué)傳感系統(tǒng)。基于這兩點的考量，Kulko設(shè)計了球形的蛇形機(jī)器人關(guān)節(jié)，構(gòu)造了蛇形機(jī)器人光滑的外表，并在蛇形機(jī)器人內(nèi)部安裝了接觸式力學(xué)傳感器。盡管設(shè)計的機(jī)器蛇的精度不高，無法進(jìn)行精確的測量，但足以精確地確定蛇形機(jī)器人與地形的接觸位置，這樣使得機(jī)器人做出智能決策以幫助其推進(jìn)。Eelume是一種水下模塊條帶狀機(jī)器人，用于石油和天然氣工業(yè)中的商業(yè)用途，執(zhí)行檢查、維護(hù)和維修。EelMuu使用蛇形步態(tài)結(jié)合推進(jìn)器來推進(jìn)自身運動 [ 14 ]。模塊化條帶狀機(jī)器人是由萊特于2007在卡內(nèi)基梅隆大學(xué)設(shè)計的[ 16 ]。各模塊與前模塊能夠形成90度到0度，使其適合自然的直線運動。其步態(tài)是通過將橫向模塊的幅度設(shè)置為零而生成的，與軸垂直的模塊執(zhí)行正弦波運動[17]。機(jī)器人能夠使用橫向起伏并輔助機(jī)械設(shè)計，在模塊外部添加由摻雜鉑的硅酮墊制成的柔順材料以提供額外的摩擦和壓縮。每個模塊包括一個獨立于其他模塊執(zhí)行內(nèi)部計算的微控制器。Unied蛇形機(jī)器人是模塊化蛇形機(jī)器人的繼任者，由賴特在2012年在卡內(nèi)基梅隆大學(xué)研發(fā)成一個超冗余、串聯(lián)的條帶狀機(jī)器人[18]。每個電機(jī)都有一個附加的編碼器來反饋每個模塊的位置。在每個模塊中使用加速度計和陀螺儀來確定其方向。電機(jī)電流被監(jiān)測以允許電流限制粗略地控制力輸出。UniedSnake機(jī)器人使用直線運動作為其主要運動步態(tài)，并且可以使用手風(fēng)琴運動進(jìn)行操作。

串聯(lián)式彈性驅(qū)動條帶狀機(jī)器人，海洋機(jī)器人是在單體蛇形機(jī)器人之后開發(fā)的，因此遵循相同的設(shè)計原理，如使用前一個模塊的O1集，由90度[19]組成。該模型的一個重要改進(jìn)是在每個模塊中增加一系列彈性致動器，以使柔性運動和每個關(guān)節(jié)上的NE轉(zhuǎn)矩控制。該系列彈性致動器允許與地面的更多接觸，提高橫向波動的效率。將包含三軸陀螺儀、三軸加速度計和三軸磁強(qiáng)計的IMU添加到每個模塊中，以允許更精確的狀態(tài)估計。

3 小結(jié)

當(dāng)前國內(nèi)外在不同領(lǐng)域?qū)l帶狀機(jī)器人的研究取得了一系列的研究成果，但是在提高其復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力和擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域的算法模型還需要進(jìn)一步的研究。目前研究在結(jié)構(gòu)方面趨向于運動形態(tài)多元化以及條帶狀機(jī)器人的小型化問題;同時開創(chuàng)新的控制方式，有部分研究團(tuán)隊摒棄電機(jī)驅(qū)動方式，對條帶狀機(jī)器人的軀干單元做出本質(zhì)性的改變，提高機(jī)器人運動步態(tài)的靈活性。通過多學(xué)科交叉領(lǐng)域的技術(shù)研究，整合機(jī)械工程、傳感器檢測技術(shù)、電子技術(shù)、智能控制、計算機(jī)科學(xué)等技術(shù)。在蛇形機(jī)器人硬件結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)多控制中心模式。在電源供給方面突破了外接電源的限制，并有望在該方向進(jìn)一步發(fā)展，進(jìn)一步提升條帶狀機(jī)器人的智能化。

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基金項目：江西省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目，項目名稱：“一種蛇形機(jī)器人的研究應(yīng)用”項目編號：（GJJ191533）

作者簡介：劉響響，男，漢，1989年，安徽人，碩士，研究方向：智能控制。