仿生爬桿機(jī)器人研究現(xiàn)狀與未來(lái)發(fā)展

陳明豪CHEN Ming-hao；王卓WANG Zhuo；楊皓宇YANG Hao-yu；劉曉陽(yáng)LIU Xiao-yang

（河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，石家莊 050018）

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)迅速增長(zhǎng)，人民生活水平的日益提高，為接軌“十四五”規(guī)劃要求，政府逐步加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，由此電線桿、指示牌等桿類數(shù)量激增。傳統(tǒng)桿類設(shè)施的維護(hù)主要依靠人力勞作解決。在傳統(tǒng)的登高作業(yè)中，施工工人通常以“腳扣”為輔助工具，攀爬到作業(yè)點(diǎn)。一般情況下，“腳扣”是較為便利的，但對(duì)施工工人控制平衡的能力要求較高，工人在作業(yè)時(shí)要是不夠?qū)Ｗ?，出現(xiàn)暈眩，就會(huì)有墜落的風(fēng)險(xiǎn)。將仿生爬桿機(jī)器人應(yīng)用于高空作業(yè)中，減少工人登高過(guò)程中消耗的體力和精力，避免事故發(fā)生，提高施工工人高空作業(yè)安全系數(shù)。因此，研究仿生自動(dòng)爬桿機(jī)器人用來(lái)改善施工工人的勞動(dòng)環(huán)境或替代人類進(jìn)行高空作業(yè)，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和安全性，為需高空作業(yè)的行業(yè)帶來(lái)一次革命很有必要。

1 仿生爬桿機(jī)器人分類

仿生爬桿機(jī)器人屬于第三代機(jī)器人——智能機(jī)器人中的一種，是通過(guò)模仿自然界中部分生物的形狀結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)特征和行為方式等，從而能應(yīng)用于實(shí)際生活、代替人類工作的爬桿機(jī)器人。從仿生學(xué)角度出發(fā)，可將爬桿機(jī)器人分為仿尺蠖式、仿蛇形、仿熊式等。

1.1 仿尺蠖式爬桿機(jī)器人

這類機(jī)器人設(shè)計(jì)原理為仿生蠕動(dòng)原理，通常由幾個(gè)模塊組成，機(jī)器人兩端手爪與桿件直接接觸，使機(jī)器人能牢固地附著于物體表面；兩端手爪間一般為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)連接，實(shí)現(xiàn)蠕動(dòng)的攀爬步態(tài)。這類機(jī)器人能夠適應(yīng)不同直徑或變徑的桿類物體，并且可順利通過(guò)法蘭盤(pán)等障礙物，有較好的越障能力；但是對(duì)其運(yùn)動(dòng)的控制比較復(fù)雜，需要進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，計(jì)算出運(yùn)動(dòng)方程，才能達(dá)到精準(zhǔn)控制機(jī)器人的步態(tài)[1]。

1.2 仿蛇形爬桿機(jī)器人

仿蛇形爬桿機(jī)器人一般采用多個(gè)機(jī)構(gòu)環(huán)抱桿件來(lái)維持其附著在桿件上，參考仿蛇運(yùn)動(dòng)六步態(tài)，通過(guò)纏繞軟體執(zhí)行器與桿件之間的摩擦力作為驅(qū)動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人爬桿的功能。該類機(jī)器人擁有較快的爬行速度，其中的仿蛇纏繞軟體爬桿機(jī)器人制作簡(jiǎn)單，控制簡(jiǎn)易，能適應(yīng)不同摩擦度表面的各類桿件，但受材料限制，負(fù)載較小，在攀爬過(guò)程中只能攜帶有效載荷，無(wú)法跨越法蘭盤(pán)等障礙物[2]。

1.3 仿熊式爬桿機(jī)器人

這類機(jī)器人根據(jù)熊的攀爬特性，類似于爪式爬桿機(jī)器人，通常以上下兩層機(jī)械手作為抱緊機(jī)構(gòu)，采用連桿結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)折疊和伸展，達(dá)到攀爬的效果[3]。通過(guò)改變機(jī)械手的尺寸來(lái)適應(yīng)不同桿徑的桿狀物，與現(xiàn)有爬桿機(jī)器人相比，有更好的負(fù)載能力，但由于依賴連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)伸縮，缺乏連續(xù)性。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

仿生爬桿機(jī)器人是目前機(jī)器人發(fā)展的一個(gè)重要領(lǐng)域，這類爬桿機(jī)器人區(qū)別于平面爬行機(jī)器人，其需要克服重力作用，依附在垂直面或陡壁上并自主移動(dòng)，代替人類完成高空作業(yè)。自二十世紀(jì)中期仿生機(jī)械興起以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者就開(kāi)始了對(duì)爬桿機(jī)器人的研究，并取得了一定成果。

2008 年，王曉光、陳明森等設(shè)計(jì)出一種仿生蠕行式且適應(yīng)變直徑桿的爬行機(jī)器人[4]，如圖1 所示。該機(jī)器人模仿人爬樹(shù)的動(dòng)作，可以適應(yīng)小傾角變直徑桿件。09 年，程光明、朱志偉等人仿真出一款同樣仿尺蠖步態(tài)的爬桿機(jī)器人[5]，該機(jī)器人的兩端為兩組單向自鎖機(jī)構(gòu)，其頭部和尾部之間為一個(gè)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，使其能在定直徑桿上穩(wěn)定爬行，并能較好適應(yīng)在腰鼓狀變直徑桿攀爬，如圖2 所示。

圖1 蠕行式仿生爬桿機(jī)器人

圖2 仿尺蠖步態(tài)爬桿機(jī)器人

美國(guó)卡耐基梅隆大學(xué)[6]曾在蛇形機(jī)器人中引入模塊化組合方式，將機(jī)器人分成16 個(gè)模塊，如圖3 所示，使之實(shí)現(xiàn)在空間內(nèi)的移動(dòng)、翻轉(zhuǎn)以及游水，并可以沿桿翻轉(zhuǎn)扭曲，這是攀爬式蛇形機(jī)器人領(lǐng)域中的重大突破。

圖3 模塊化蛇形機(jī)器人

以上機(jī)器人基本都以剛性機(jī)構(gòu)連接，存在缺乏連續(xù)性和靈活性等問(wèn)題，2020 年，廖冰[7]等人設(shè)計(jì)了一種系繩的氣體驅(qū)動(dòng)的仿蛇纏繞軟體爬桿機(jī)器人，如圖4 所示。設(shè)計(jì)者受樹(shù)棲蛇的纏繞運(yùn)動(dòng)啟發(fā)，設(shè)計(jì)2 個(gè)纏繞軟體執(zhí)行器替代蛇的頭部、尾部和1 個(gè)伸縮軟體執(zhí)行器替代蛇的身體。通過(guò)運(yùn)用仿蛇運(yùn)動(dòng)六步態(tài)，使得機(jī)器人能負(fù)重500g，并以每秒0.193 倍自身體長(zhǎng)的最大速度在垂直方向上攀爬，能適應(yīng)不同摩擦度表面、變直徑和各種形狀的桿件。

圖4 仿蛇纏繞軟體爬桿機(jī)器人

2020 年，林琦峰、陳勇[3]等人仿真出一款仿樹(shù)袋熊爬桿機(jī)器人，如圖5 所示，該機(jī)器人的抱緊結(jié)構(gòu)為上下兩端的機(jī)械手，區(qū)別于以往的連桿機(jī)構(gòu)，采用齒輪齒條嚙合控制機(jī)器人的升降。通過(guò)模仿樹(shù)袋熊的攀爬特性，讓機(jī)器人具有更好的靈活性，解決了輪式爬桿機(jī)器人的越障困難，改良了爪式爬桿機(jī)器人的抓取方式，為機(jī)器人普遍存在的負(fù)載較小的問(wèn)題提供了解決方案。

圖5 仿熊式爬桿機(jī)器人的結(jié)構(gòu)示意圖

RiSE 系列攀爬機(jī)器人是由美國(guó)伊利諾伊理工學(xué)院、卡耐基梅隆大學(xué)、斯坦福大學(xué)及賓夕法尼亞大學(xué)等[8]聯(lián)合研發(fā)設(shè)計(jì)的一種機(jī)器人，如圖6 所示。該系列機(jī)器人采用六足仿生攀爬，能很好地在平面及曲面結(jié)構(gòu)上運(yùn)動(dòng)，它腿的端部有尖銳的鉤爪結(jié)構(gòu)，可以使機(jī)器人穩(wěn)固地附著于桿狀物表面。09 年，由設(shè)計(jì)師Boston Dynamics 等設(shè)計(jì)的Rise v3[9]，如圖7 所示，是rise 系列的一個(gè)重大突破，該機(jī)器人以狗為仿照對(duì)象，設(shè)計(jì)有四足，腳部使用外科手術(shù)針為材料使其能在垂直物體上移動(dòng)。Rise v3 能以21cm/s 在木制線桿上攀爬，攀爬速度為當(dāng)時(shí)世界第一。

圖6 RiSE

圖7 Rise v3

3 仿生爬桿機(jī)器人的存在問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì)

目前，雖然國(guó)內(nèi)外已設(shè)計(jì)出多種仿生爬桿機(jī)器人，但都存在各自的缺陷。例如，未設(shè)計(jì)攜帶工作設(shè)備的空間，僅能實(shí)現(xiàn)單一的爬桿功能，導(dǎo)致功能種類不齊全，只能適用于小范圍的工作環(huán)境；機(jī)器人靈活性和穩(wěn)定性不佳，在越障方面的問(wèn)題仍未得到解決；由于其學(xué)科交叉性，許多機(jī)器人僅能做到“形似”，仿生對(duì)象的許多能力不能精準(zhǔn)的表現(xiàn)出來(lái)。

但隨著近幾年科技的不斷發(fā)展，人們?cè)隍?qū)動(dòng)、傳感和控制軟硬件[10]等領(lǐng)域有了極大發(fā)展，同時(shí)人們對(duì)于爬桿的一些特殊功能的需求也刺激了爬桿機(jī)器人的發(fā)展，經(jīng)過(guò)多方驗(yàn)證，筆者將仿生爬桿機(jī)器人的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)歸納為以下幾點(diǎn)：

①新型仿生爬桿技術(shù)。目前存在的仿生爬桿機(jī)器人的爬桿方式缺點(diǎn)明顯，對(duì)于攀爬變徑桿和跨越障礙物等復(fù)雜問(wèn)題的處理仍顯乏力，因此加深對(duì)生物結(jié)構(gòu)的研究并充分結(jié)合現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)應(yīng)用于機(jī)器人是當(dāng)前仿生爬桿機(jī)器人發(fā)展的一個(gè)重要領(lǐng)域。自然界生物經(jīng)過(guò)35 億年的不斷進(jìn)化，部分生物已經(jīng)具有最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)大的適應(yīng)能力和靈活的攀爬特性，由于對(duì)生物本質(zhì)的認(rèn)知不夠深刻以及未能充分掌握并利用現(xiàn)有科學(xué)技術(shù)，導(dǎo)致現(xiàn)有仿生爬桿機(jī)器人數(shù)量較少、應(yīng)用有限，故將現(xiàn)代機(jī)構(gòu)學(xué)和機(jī)器人學(xué)的新成果應(yīng)用于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特性的研究，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人結(jié)構(gòu)仿生、功能仿生和控制仿生的統(tǒng)一是當(dāng)下仿生爬桿機(jī)器人新型技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)。

②新型仿生材料?，F(xiàn)有的許多仿生爬桿機(jī)器人由鋼材、塑料等傳統(tǒng)的剛性材料制作而成，這使得有些部位無(wú)法像真正的生物部位一樣靈活運(yùn)動(dòng)，造成機(jī)器人任務(wù)完成單一，適用性不強(qiáng)。為了使機(jī)器人具備高適應(yīng)性、高效率、低能耗的特點(diǎn)，人們希望研制出更加接近生物性能的新型仿生材料，使仿生爬桿機(jī)器人與被模仿生物有更高的相似度。

③功能多樣化。被研制出的仿生爬桿機(jī)器人大多應(yīng)用于完成桿件清洗、維修等任務(wù)，但由于自重較大或者材料所限，只能攜帶較小的有效載荷，導(dǎo)致完成工作單一和無(wú)法適應(yīng)一些惡劣環(huán)境。為了減少成本、提高效率，機(jī)器人在完成目標(biāo)任務(wù)的同時(shí)應(yīng)盡可能提高負(fù)重比、攜帶更多功能設(shè)備，向低能耗、高適應(yīng)性方向發(fā)展。

④智能化?，F(xiàn)有的仿生爬桿機(jī)器人基本無(wú)法實(shí)現(xiàn)自決策，對(duì)于一些突發(fā)情況無(wú)法做出即時(shí)反應(yīng)。未來(lái)仿生爬桿機(jī)器人智能化發(fā)展應(yīng)以人工智能技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)為基石，提高自我感知、自主學(xué)習(xí)、自行決策、自我優(yōu)化與執(zhí)行、自適應(yīng)等能力，融入“5G”等智能+元素，使之更好地為人類服務(wù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

仿生爬桿機(jī)器人領(lǐng)域已取得了豐碩的研究成果，由于現(xiàn)代機(jī)構(gòu)學(xué)和機(jī)器人學(xué)的新成果與復(fù)雜的生物特征結(jié)合程度較低，仿生爬桿機(jī)器人領(lǐng)域仍存在許多未能解決的問(wèn)題。在深入研究生物最本質(zhì)的生命特征，并通過(guò)不斷將新技術(shù)、新方法、新理論應(yīng)用到仿生爬桿機(jī)器人的研究中后，這些問(wèn)題將應(yīng)刃而解，從而推動(dòng)仿生爬桿機(jī)器人的研究向系統(tǒng)化、前沿化方向發(fā)展，機(jī)器人更加新型化、功能多樣化、智能化，具有良好的人機(jī)交互能力，更好地為人類服務(wù)。