蛇形机器人的研究与发展

谢哲东　张添一

摘 要：随着仿生技术的不断进步，机器人领域的不断拓展，仿生机器人的研究逐渐成为各位学者、专家关注的焦点，这也大大扩展了机器人的应用领域。本文阐述了蛇形机器人应用背景和发展现状，并根据当前国内外的研究现状对其展望了未来的发展趋势。

关键词：蛇形机器人；国内外发展；应用领域；发展趋势

中图分类号：TP24 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20171032031

引言

随着生物的不断进化，如今的生物都具有很强的运动能力和环境适应能力，这引起许多科学家的注意，而随着仿生学的不断进步，仿生机器人便应运而生。而生物蛇由于其细长的身体结构及特有的活动方式，具有很强的环境适应能力和在地面稳定运动的特点，在机器人领域中是特有的存在。它特有的优势使它拥有广阔的发展前景。

身体紧贴地面、降低重心的爬行运动模式使其运动具有较强的稳定性；通过身体的摆动与地面产生摩擦，从而获得前进动力的运动方式具有自主可调控的避障越障的能力；细长的身体和多种运动步态使其可以通过多种崎岖复杂的路段，甚至具有攀爬立柱的运动能力；由于蛇形机器人能够在人类难以到达的未知环境中工作，具有隐蔽性，增加安全系数，减少人力，减少因疲劳所带来的一系列误差等因素，能够把人从繁重、危险、单调乏味的工作环境中解脱出来，代替人完成人类主观想要完成的复杂作业。因此被广泛应用到军事领域、科学探险、救灾抢险、工业检测等多个领域，具有广泛的应用前景。

军事领域（反恐防暴）：在战场，可以将雷达检测器应用在蛇形机器人身上，通过蛇形机器人的快速运动已达到迅速扫雷、避雷的作用。同时，因为蛇形机器人细长的身体结构，在战场或者谍报工作时具有一定的隐蔽性，以达到探测、窃取情报甚至起到定点引爆的工作。

民用领域（救灾抢险）：因为蛇形机器人具有超强的环境适应能力，所以可以在一定恶劣的环境，例如：毒气、粉尘、辐射、高温，低温等条件下仍然具有很强的工作执行能力；在灾后废墟中抢救、寻找幸存者能发挥巨大的高效作用。

工业领域（检测）：可对地下管道进行故障勘探，查出堵塞点，甚至可以疏通堵塞管道。

其他领域：在太空中对航天器等外部零件的维修作业；对未探索，具有一定危险系数的星球进行地质勘探发送资料和影像，提高工作人员的安全效率。

1 蛇形机器人国内外的发展现状

1.1 国外的研究

1972年由日本东京大学的Hirose教授研制的第一台蛇形机器人诞生，并将其命名为ACM（Active Cord Mechanism）蛇形机器人。再到后来研究的逐渐深入，ACM-R2、ACM-R3、ACM-R4、ACM-R5的先后研制和完善，如图1所示，使蛇形机器人成为仿生机器人中最具代表性的研究热点。

再到德国Karl.L.Paap研制的GMD蛇形机器人，如图2所示，但是GMD机器人优缺点明显，它虽然具有较强的灵活运动能力，但在机头每次抬起时，由于受到机头的重力作用，导致关节向下弯曲，造成控制失灵，无法正常工作的结果。

1999年，美国开始研制NASA蛇形机器人，如图3所示，他们改进了之前由卡耐基梅隆大学研制的CMU蛇形机器人，并计划将其应用在太空，应用于行星地表探测以及空间站维护工作，该蛇形机器人可以灵活地在复杂的行星表面穿梭，并独立规划路径以达到避障的效果。

1.2 国内的研究

1999年3月，由上海交通大学崔显世、颜国正研制出的我国第一台微小型仿蛇机器人样机。在之后的中科院沈阳自动化所，以马书根为核心的机器人研发团队所研制出的蛇形机器人巡视者 II 和探查者Ⅲ，为我国星球探测和灾难救援等领域的应用提供技术支持，如图4所示。

2 蛇形机器人的结构类型

因为生物蛇活动方式的多变靈活性，所以目前一般的蛇形机器人机械结构采用模块化设计思想，由多个相同的单元体模块首尾串联依次连接而成，每个模块都具有独立的驱动和控制系统，可以产生有限范围内的相对运动。通过主机控制各模块的运动时序，相互协调，蛇形机器人可以实现多种运动形式。如果需要完成特定的工作需要在“蛇头”添加传感或者视觉等机构。

蛇形机器人的关节选取直接决定了其运动的方式，目前应用最广泛的关节种类（图5）有以下。

2.1 平行连接关节

关节单元模块之间的转动副轴线相互平行且垂直于蛇体纵轴；仅能做二维平面内的运动。难于适应复杂环境。

2.2 正交连接关节

邻转动副的轴线互相垂直，且均垂直于蛇体纵轴，这样得到的每个关节连接虽然只有一个自由度。但正交关节以2个关节3个连杆组成的正交铰接为最小单元，可完成三维运动。

2.3 万向节连接关节

万向节连接关节的蛇形机器人相对于其它连接方式运动最为灵活。制作成本较高，加工要求很高的精度，控制比较困难，可完成三维运动。

2.4 P-R关节

P-R 连接是在2个俯仰（Pitch）关节（转动副与关节轴线垂直）之间添加一个转动轴线与关节纵轴重合的横向转动（Roll）关节，可完成三维运动。

通过关节的相互协作，会使蛇形机器人产生多种不同的运动模式，总结成如下表分类。

3 展望

从现有的蛇形机器人来看，未来机器人连接方式的开发将遵循通用性、经济性和鲁棒性的原则，其结构的设计将沿着可重构性发展，而目前所研制的蛇形机器人存在共同的问题便是机器人的关节驱动多采用内置舵机转位，关节结构复杂，响应速度和爬行速度偏慢，影响工作效率，控制效果不佳。随着研究的深入，如何设计结构简单、易于控制、运动灵活的连接方式，是人们必须面对和函待解决的问题。因此，以仿蛇形机器人发展前景和目前存在的问题展开研究，为了实现多个模块化关节协同运动控制，可以尝试设计一种采用拉线驱动2自由度完全正交输出关节组成的蛇形机器人，有助于提高蛇形机器人的灵活性、高能效、精巧性的应用技术水平，提高对复杂环境的适应能力，对蛇形机器人的发展提供新鲜的研究途径。

参考文献

[1]苏中，张双彪，李兴城.蛇形机器人的研究与发展综述[J].中国机械工程，2015，26（3）：414-425.

[2]陈丽，王越超，李斌.蛇形机器人研究现况与进展[J].ROBOT，2002，24（6）：559-563.

[3]林永光.一种具有空间关节的蛇形机器人系统设计与实现[D].燕山：燕山大学（硕士论文），2006：2-6.

作者简介：谢哲东（1974-），男，吉林长春，博士，研究方向：先进制造技术与装备及机器人技术；张添一（1992-），男，吉林长春，硕士，研究方向：蛇形机器人。endprint