蛇形機(jī)器人的研究進(jìn)展

□ 商錦萍 □ 易 飛

1.武漢生物工程學(xué)院 武漢 430415 2.湖北億緯動(dòng)力有限公司 湖北荊門 448124

1 蛇形機(jī)器人概述

隨著時(shí)間的推移,現(xiàn)代生物擁有出色的行走、自我調(diào)節(jié)及環(huán)境適應(yīng)的能力,令許多研究者驚嘆。仿生技術(shù)的飛速發(fā)展,則使許多新型仿真機(jī)器人問(wèn)世。其中,蛇類具有靈巧身形、靈敏的反應(yīng)速度,成為機(jī)械設(shè)備制造業(yè)仿生的一個(gè)新寵。蛇形機(jī)器人擁有巨大潛力,有望成為未來(lái)的重要發(fā)展方向。

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn),蛇是一種非?；钴S的動(dòng)物,能夠在各種復(fù)雜的環(huán)境中移動(dòng)。蛇的骨骼結(jié)構(gòu)能夠輕松地進(jìn)行彎曲、搖擺、直線和側(cè)向移動(dòng),無(wú)論是對(duì)于障礙物、泥沙、沙土、墻壁,還是在深水中。蛇形機(jī)器人具有出色的多功能性,擁有多種靈活的結(jié)構(gòu),因此被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域,如海洋、陸地、礦山、農(nóng)林、水產(chǎn)、建筑、交叉作業(yè)、消防、救援、搶險(xiǎn)救災(zāi)等[1]。蛇形機(jī)器人的靈活度高,操控范圍廣,可以穿梭于各種管線之間,完成各種搜索任務(wù),甚至可以幫助人類從災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)拯救出幸存者。

隨著科學(xué)的不斷進(jìn)步,蛇形機(jī)器人已經(jīng)變得越來(lái)越先進(jìn)。筆者介紹蛇形機(jī)器人的最新發(fā)展,揭示其核心技術(shù)。

2 蛇形機(jī)器人研究現(xiàn)狀

2.1 功能特性

當(dāng)前新研發(fā)的蛇形機(jī)器人擁有出色的環(huán)境感知能力。采用多種傳感器,如壓力、視覺、距離、角度、速度,可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)周圍環(huán)境,并且利用數(shù)據(jù)融合技術(shù),調(diào)節(jié)蛇形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)參數(shù),從而滿足不同環(huán)境下的需求。以上技術(shù)的出現(xiàn),使蛇形機(jī)器人可以更加靈活地應(yīng)對(duì)外部環(huán)境,并且可以實(shí)現(xiàn)協(xié)同運(yùn)動(dòng),甚至滿足自主運(yùn)動(dòng)的需求[2]。

盡管蛇形機(jī)器人可以完美地完成各種任務(wù),但是仍面臨著一些棘手的技術(shù)難題。第一,因?yàn)槊芊獠糠纸?jīng)歷頻繁的拉伸、收縮,以及長(zhǎng)時(shí)間操作,可能會(huì)導(dǎo)致表面的粘合劑受損,從而導(dǎo)致在水中運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)生內(nèi)部滲漏,進(jìn)而影響到控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行。因此,針對(duì)容易遭遇外部沖擊的接觸部位,需要選取合適的結(jié)構(gòu),并使用高強(qiáng)度材料,同時(shí)設(shè)置專門針對(duì)這類部位的防護(hù)裝置。第二,在芯片設(shè)計(jì)過(guò)程中,除了將眾多傳感器納入其中,還必須采用高效的散熱技術(shù),以及配備更加緊湊、高容量的電池,來(lái)保證系統(tǒng)的可靠性。

2.2 運(yùn)動(dòng)環(huán)境

文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)的蛇形機(jī)器人具有出色的模擬生物蛇的特征,但只可以在二維環(huán)境,即平坦的水平面中實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)動(dòng)。文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)的蛇形機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)三維環(huán)境,即若干規(guī)則平面相交組成的地面環(huán)境中的運(yùn)動(dòng),但是在三維復(fù)雜環(huán)境,包括山地、丘陵等凹凸不平的地面環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)能力顯得捉襟見肘。因此,需要開發(fā)出更加靈活的三維空間操控系統(tǒng)。

隨著技術(shù)的進(jìn)步,蛇形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)環(huán)境也在不斷變化,從二維平面環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)槿S復(fù)雜環(huán)境。在這一情況下,蛇形機(jī)器人的理論研究更多地集中在復(fù)雜的三維環(huán)境中,如山地、丘陵、叢林、草原、戈壁、地震廢墟等。因此,未來(lái)蛇形機(jī)器人的研究應(yīng)該將重點(diǎn)放在三維復(fù)雜環(huán)境上,以期獲得更好的效果。

3 蛇形機(jī)器人常用單元連接結(jié)構(gòu)

生物蛇的身體結(jié)構(gòu)是經(jīng)過(guò)多次競(jìng)爭(zhēng)、選擇及演變而形成的,具有一定的合理性。

文獻(xiàn)[4]經(jīng)過(guò)試驗(yàn)研究總結(jié)出蜿蜒曲線后,產(chǎn)生了多種滿足該曲線的仿生蛇形機(jī)器人結(jié)構(gòu),常用單元連接結(jié)構(gòu)主要有三類[5-6]。

第一,關(guān)節(jié)間平行方式連接。蛇形機(jī)器人的兩個(gè)關(guān)節(jié)只能圍繞一個(gè)平行的軸旋轉(zhuǎn),關(guān)節(jié)間以平行方式連接,如圖1所示。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可靠性高,缺點(diǎn)是功能比較單一。

▲圖1 關(guān)節(jié)間平行方式連接

第二,相鄰關(guān)節(jié)間正交連接。蛇形機(jī)器人可以通過(guò)多個(gè)關(guān)節(jié)的組合實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的三維運(yùn)動(dòng),從而達(dá)到翻轉(zhuǎn)的效果,并且相鄰關(guān)節(jié)間的旋轉(zhuǎn)軸是正交的,如圖2所示。這一單元連接結(jié)構(gòu)使相鄰關(guān)節(jié)間不僅能夠繞著單軸旋轉(zhuǎn),而且能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的生物蛇脊框架。

▲圖2 相鄰關(guān)節(jié)間正交連接

第三,單關(guān)節(jié)內(nèi)萬(wàn)向節(jié)連接。萬(wàn)向節(jié)結(jié)構(gòu)是目前廣泛應(yīng)用的蛇形機(jī)器人兩個(gè)單元之間的連接方式。單關(guān)節(jié)內(nèi)萬(wàn)向節(jié)連接如圖3所示,與文獻(xiàn)[4]的設(shè)計(jì)類似,但更像生物蛇,因此更加復(fù)雜。

▲圖3 單關(guān)節(jié)內(nèi)萬(wàn)向節(jié)連接

在蛇形機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,應(yīng)盡量保持高效性和簡(jiǎn)潔性,同時(shí)也要考慮體積和質(zhì)量。為了達(dá)到上述目標(biāo),需合理選擇蛇形機(jī)器人的各項(xiàng)參數(shù)。

在蛇形機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,除了要求具備良好的剛度和耐腐蝕性外,還應(yīng)盡可能減小質(zhì)量,以減小蛇形機(jī)器人在運(yùn)行過(guò)程中所需的動(dòng)力。因此,選擇合適的材料顯得尤為重要,需要綜合考慮機(jī)械性能、物理性能、價(jià)格等因素。

此外,舵機(jī)的選擇至關(guān)重要,舵機(jī)尺寸、功率、扭矩、操縱速度都會(huì)直接影響蛇形機(jī)器人的性能。所以,為了達(dá)到最佳效果,蛇形機(jī)器人的舵機(jī)必須綜合考量質(zhì)量、速度、空間占比等因素[7-8]。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蛇形機(jī)器人的動(dòng)作較為復(fù)雜,因此精準(zhǔn)的控制至關(guān)重要。為了達(dá)到這一目標(biāo),需要對(duì)每個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)整,利用舵機(jī)的旋轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)對(duì)各關(guān)節(jié)的精準(zhǔn)操作。蛇形機(jī)器人的控制系統(tǒng)由上位機(jī)、下位機(jī)及相關(guān)的調(diào)試軟件三方面構(gòu)成。

蛇形機(jī)器人的控制系統(tǒng)主要有集中控制和分布式控制兩種形式。集中控制簡(jiǎn)單易行,易于實(shí)現(xiàn),但容易因控制系統(tǒng)局部故障而使整個(gè)蛇形機(jī)器人系統(tǒng)失去運(yùn)動(dòng)能力,可靠性不穩(wěn)定。分布式控制中,蛇形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)由多個(gè)控制器協(xié)同控制,且各為主從關(guān)系,所以在分布式控制下,各控制器的工作負(fù)荷小,具有較高的實(shí)時(shí)性和系統(tǒng)可靠性[9-10]。

某蛇形機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。蛇形機(jī)器人前端安裝的攝像頭實(shí)時(shí)捕獲圖像,然后通過(guò)圖像傳輸模塊將圖像傳輸至遙控器中的接收模塊,并在屏幕上實(shí)時(shí)顯示畫面。無(wú)線通信模塊接收到信號(hào)后,將控制信號(hào)傳送至主控制器。主控制器再通過(guò)串行外設(shè)接口總線將相應(yīng)的控制信號(hào)發(fā)送給從控制器,從控制器生成相應(yīng)的脈沖寬度調(diào)制信號(hào),操控舵機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)蛇形機(jī)器人的前進(jìn)后退、左右轉(zhuǎn)彎等動(dòng)作。

▲圖4 蛇形機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著現(xiàn)代科技的飛躍發(fā)展,智能機(jī)器人已經(jīng)普遍存在,蛇形機(jī)器人因廣泛的應(yīng)用前景倍受關(guān)注。然而,目前研發(fā)的蛇形機(jī)器人仍然存在一些問(wèn)題,如關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)方式過(guò)于復(fù)雜、爬行速度較慢、三維復(fù)雜環(huán)境運(yùn)動(dòng)能力不足,這些都會(huì)降低工作效率,并且控制效果也不盡如人意。隨著技術(shù)的進(jìn)步、研究的不斷深入,如何提升蛇形機(jī)器人的靈活性、能源利用率、精確度,以及更好地適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境,顯得尤為重要,這也是目前技術(shù)人員面臨的一大挑戰(zhàn)。