蛇形机器人发展历程及应用前景分析

王元友，马小林，张文敬， 刘占双，程诚

（1.国网青海省电力公司检修公司，青海 西宁 810000；2.睿策（河南）智能科技有限公司，河南 洛阳 471000）

科学技术的发展催生出新型的移动性比较强的蛇形机器人，总的来讲，蛇形机器人具有适应性强且应用范围光的特点，这使得蛇形机器人逐渐发展成为研究的热点。需要特别注意的是，蛇形机器人具有伪装性强、隐蔽性高以及结构集成化程度高等优点，这使得其能够很好地满足军事巡逻以及侦查等工作的需求，这意味着蛇形机器人的应用范围不断得到拓展，对我国的建设发展起着极大的推动作用。

1 蛇形机器人演变过程

蛇形机器人的发展基础是生物蛇。生物蛇的起源可以追溯到20 世纪40 年代，相关研究人员对蛇的形态特征进行了研究分析，同时将其运动形态分为蜿蜒运动、直线运动和侧移运动等。蜿蜒运动的传播特征为侧波，随着波的移动，蛇能够实现形态上的移动，同时运动的效率比较高，这种运动形态在比较平坦的地形中表现出比较强的适应性。直线运动指的是生物蛇借助肌肉以及肋骨的交替性运动形式，促使身体向前移动，这种方式与毛虫的爬行方式比较一致，但是整体的运动效率比较低，直线运动形态往往与其他形式的步态结合使用，在比较狭窄的区域内比较适用。

鼓风琴运动形态与蜿蜒运动较为相似，但是鼓风琴运动往往是借助身体的向前牵引力，促使身体不断向前运动，生物在树上进行爬行时往往会借助这种运用形态。侧移运动表现出螺线型的特征，身体可能出现横向或者斜向的运动状态，侧移运动比较奠定的表现方式是沙漠中的响尾蛇，这样的运动形态使得生物表现出比较强的适应性，同时生物体在沿着树干或者杆体进行爬动时往往会采用这样的运动形态。侧翼运动往往也具有一些螺旋线的运动特征，它借助的是螺旋内侧以及物体之间的相互摩擦来对身体进行稳定，与弹簧伸缩的功能比较类似，此时生物体的身体可以实现移动。

在生物蛇研究内容的基础上，相关学者便开始对生物蛇的运动步态进行模拟，这也为智能机器人开创了一个新的领域，也就是蛇形机器人，之后多个国家的研究人员开始加入到蛇形机器人的研究行列当中，研究由浅入深。国内对蛇形机器人的研究基本上集中在对其形态、运动学模型等进行研究上，这些理论内容以及相关的研究实践蛇形机器人的进一步发展以及技术优化奠定了坚实基础。

2 蛇形机器人的发展历程

国外对蛇形机器人的研究起步比较早，同时蛇形机器人被运用在不同的领域内，取得了可喜的应用效果，对科技力量的提升提供了动力。总的来讲，国内对蛇形机器人的研究起步时间比国外相对晚些，然而研发的脚步却在逐渐朝着国际先进水平靠近，同时也获得了喜人的成果。通过查询相关的文献资料，对蛇形机器人的发展历程进行了归纳总结，具体如下：

中国科学院的自动化研究团队对蛇形机器人进行了研究，借助与日本研究团队开展合作的方式，研制出代表性比较强的蛇形机器人巡视者二代和探查者一代。巡视者二代的组成部分是金属材质的若干个躯干单元，整体的长度在2m 左右，总质量8kg，不同额单元部件之间借助特殊的万向节结构进行连接，能够完成俯仰、滚转等转动动作，在每一节小的躯干单元当中都被装有一定数量的体轮，它们的存在使得运动的阻力逐渐变小，促使体系的运行效率不断提升，在整个蛇形机器人的头部被安装了视觉传感系统以及GPS 定位系统，能够实现对机器人运动状态的辅助控制。

除此之外，这款机器人内还配备电源，能够实现无线操作的状态。在巡视者二代的基础上，探查者三代逐渐出现在人们的视野当中。它能够适应水陆两栖运动，整个机器人的主体部分为九节不同的躯干单元，机器人长度为1m 左右，总重量为7kg，为了能够在水下表现出比较强的适应性，在躯干单元的纵向方向上安装了一定数量的从动轮，以此来代替体轮发挥出相应的作用。

与此同时，这代机器人的不同单元之间也被添加了防水密封的装置，不同单元内部都具备两个不同的伺服电机用于提供启动动力，借助齿轮系统的不断运来完成俯仰以及偏航等运动。如果左右方向的齿轮在相同的方向上进行运动，那么可以完成俯仰运动，若是左右方向的齿轮在相反的方向上进行运动，那么将会发生偏航的运动。

上海某大学对适用于爬行的CRS 机器人，这一机器人的总长为1.5m，总重量约为3kg，整个机器人的组成单元为若干个不同的俯仰以及滚动驱干单元，在其外面存在着提升接触力的胶带。

相比于其他形式的机器人，CRS 机器人的躯干单元两侧能够完成径向的转动，中间可以围绕着转轴进行转动，从而实现对径向转动角度的有效控制，此时机器人能够实现对绕柱爬行的功能。国防科技大学对蛇形机器人进行了研制，全长为1.2m，总重量为2kg，从而实现蜿蜒运动形态，最高时速可以达到1.2km，这一机器人的头部被安装视频采集的装置，目前关于此种机器人的资料相对较少。北京信息科技大学正在研发一种新型蛇形机器人，机器人全长为1.2m，总重量为2.5kg，此种机器人的躯干单元数量为9 个，同时一个躯干单元为分体单元。

在每一个躯干单元内都被安装了控制系统以及电池电源组，在分体单元内部被安装了伺服电机。不同的结构单元之间借助伺服电机进行连接，在水平方向上安装的电机结构能够完成俯仰的运动形式，垂直方向上的电机能够完成偏航运动。

在不同的躯干单元之间都存在着一对从动装置轮，在从动轮与不同的单元体系之间能够借助伺服电机进行连接，从而实现结构变形的目的。这一机器人的运动形态是多种多样的，同时能够借助身上所佩戴的温湿度、气体以及压力等传感装置来对周围环境状态进行感应，结合外界环境的动态变化，同时借助变形或者分体等不同的途径来实现对参数的有效调整，从而更好地适应相对比较恶劣的环境状态，提升蛇形机器人自身的适应能力，这为蛇形机器人应用发展提供了前提条件。

3 蛇形机器人的应用前景

蛇形机器人的运动环境逐渐由二维平面形式朝着三维的平面环境发展。站在理论层面上对蛇形机器人进行分析，蛇形机器人的运动主要集中在二维平面上，在实验室、核电站等路面比较平坦的环境中适应性比较强。但是这类机器人在丛林、草地、戈壁等障碍物比较多以及比较崎岖的环境中进行应用比较受限，因此相关研究人员对蛇形机器人的三维运动形式进行了研究。蛇形机器人的研究成果还可应用于类似的机器人装置。如国网青海省电力公司检修公司与睿策（河南）智能科技有限公司正在联合研制一种二次电缆铺设装置，该装置能自动拖动电缆在电缆沟内进行电缆铺设工作。

该装置吸收了蛇形机器人的相关技术优点，简化了关节结构，采用伺服电机驱动，具有一定的自动避障功能；并且根据工作需要增加了电缆拖动和夹持装置以及力传感器系统，能够拖动5kg 电缆在电缆沟内连续正常工作不低于1h。在对蛇形机器人进行运动控制的过程中，一种控制模型的理论基础为动力学，另外一种是CPG 神经生理学知识。

在结构环境背景下，机器人运动控制的研究直观、便于理解，然而在非结构的背景环境中，所建立起来的模型比较复杂。利用CPG 方法进行控制，对机器人物理模型的依赖性比较弱，以此来实现提升控制信号可靠性的作用，同时此种方式的稳定性更好，结合自适应的控制学理论知识，蛇形机器人的运动步态仿生的效果能够得到有效提升。

日本对蛇形机器人的投资主要表现在教育、文化等领域创建蛇形机器人的科学研究创新项目，同时旨在将其运用在抗震救灾等工作过程中，为国民的生活带来便利。美国对于蛇形机器人的研究受到了相关的科学研究基金、研究局等顶级部门的资助，同时也受到青年研究部门的有效资助。

我国蛇形机器人的研究同样受到了比较高的重视，受到了不同省区以及地方的重视，比如国家技术研究发展项目、青年人才项目等，这都为当今蛇形机器人性能的进一步优化奠定了坚实基础，也使得蛇形机器人的应用范围不断得到拓展，为我国科技力量的提升提供强大的推动力，促使国家建设发展。

4 结语

随着科学信息技术水平的提升，智能机器人不再是新鲜事物，社会的发展逐渐催生出蛇形机器人，这一研究为我国智能机器人的发展重新开拓了新的空间。研究人员近些年来致力于对蛇形机器人的研究，同时其性能不断得到优化，这为其发展前景的拓宽提供了强大的支持，促使我国智能机器人行业快速发展。