蛇形机器人

1972年首次研发的仿生机器人

蛇形机器人，是一种能够模仿生物蛇运动的新型仿生机器人。由于它能像生物一样实现“无肢运动”，因而被国际机器人业界称为“最富于现实感的机器人”。

简介

蛇形机器人，是一种能够模仿生物蛇运动的新型仿生机器人。由于它能像生物一样实现“无肢运动”，因而被国际机器人业界称为“最富于现实感的机器人”。日本东京科技大学于1972年研制出世界上第一条蛇形机器人，其速度可达40厘米/秒。而美国的蛇形机器人研究则代表了当今世界的先进水平。2000年10月，美国航空航天局在加利福尼亚装备研制中心展示了一种用于外太空探险的蛇形机器人，它能在一些复杂地形行走时如履平地，运动十分灵活，并具有探测、侦探等多种功能。

背景知识

大自然不仅仅赋予人类生命和丰富的自然资源，而且其丰富的生命形态给予了人类无穷无尽的启迪，让人们充分地利用自然和改造自然。这些启迪加上人类的聪明才智使科学技术不断进步，推动人类社会发展。从小鸟的展翅飞翔，到形状各异的风筝，还有后来更为先进的飞机。从蝙蝠的夜间疾飞到当今军事和民航上至关重要的雷达系统，都充分体现了研究生物系统对科学技术发展的重大贡献。模仿和探索大自然中生物的运动和功能，理解和获取有利的运动和控制原理，促使了仿生学的出现和发展。仿生学是20世纪60年代出现的一门综合性边缘学科，它由生命科学和工程技术科学相互渗透、相互结合而成。可以说仿生学的研究对科学技术和社会的发展起着举足轻重的作用。仿生系统以其能体现和再现生命特征成为现代研究的重点课题。生命系统的自主运动和适应能力的物理实现不仅能够把人从繁重、危险、单调乏味的工作环境中解脱出来，而且能够代替人在危险场合完成复杂作业。仿生学将生命原理应用到工程系统的研究和设计中，尤其对当今日益发展的机器人学科起到了巨大的推动作用，促进了仿生机器人领域的蓬勃发展。

在绝大多数人眼中，蛇是一种可怕的动物，甚至有很多人不愿意提及或看到这种动物。从圣经上的关于蛇的描写到伊索寓言中农夫和蛇的故事，无不反映出蛇阴险和可怕的一面。当然它本身与众不同的移动方式，也使人们产生恐慌和害怕，从而避而远之。其实蛇是非常有益于人类的动物，它可以消灭老鼠等害虫，而且对于整个生态平衡起着至关重要的作用。当然本文并不是研究生物蛇和人类的关系，而是根据蛇的生理结构和运动特点，设计和研究蛇形机器人的结构和运动，是从仿生学的角度出发研制有利于人类社会的机器人。当代机器人的研究领域己经从结构环境下的定点作业向非结构环境下的自主作业发展。机器人被急切需要应用到环境复杂、高度危险和人类无法进入的场合完成作业。除了传统的车型设计方法外，机器人学者把目光转向了生物界，力求从具有各种运动特征的动植物上获得启发，设计新的仿生机器人。蛇形机器人就是在这种条件下孕育而生的。蛇的各种独特的运动特性赋予蛇形机器人以多种功能。蛇形机器人不但能够适应各种复杂地形，能够平均分配自己的体重，还具有自封闭的结构等特点使其吸引了国内外众多机器人学研究人员展开了对蛇形机器人的研究。

国内外研究

蛇形机器人的研究开创了仿生机器人研究的新领域，同时由于蛇形机器人的广泛应用前景，世界上各个国家的机器人爱好者纷纷开始了蛇形机器人的研究。关于蛇形机器人的研究，美国和日本走在前列，此外加拿大、英国、瑞典、澳大利亚等国也都在开展这方面的技术研究。

第一代蛇形机器人

从仿生学的角度，第一代蛇形机器人结合机器人动力学和摩擦学等的相关理论，建立的蛇的行波运动学模型，并研制的机器蛇样机—— SolidSnake，并利用SolidSnake实现了蛇的蠕动、游动、侧移、侧滚、抬头、翻越障碍物等运动形式。

SolidSnake利用垂直和水平方向正交的关节来拟和蛇类生物柔软的身体，每两个正交的关节组成一个单元体，每个单元体相当于一个万向节，具有两个方向的自由度，整体形成一个高冗余度的结构体。这样的机构设计使蛇体具有向任何方向弯曲的能力。第二代蛇形机器人SolidSnake II蛇形机器人充分考虑了蛇类生物的运动特点，从仿生学的角度，结合机器人动力学和摩擦学等的相关理论，建立了基于行为控制理论的蛇类运动学模型，把蛇类生物的复杂运动形式化解为局部的、简单的运动形式。采用模块化设计思路，每个关节均可很容易进行拆卸。机器蛇的8个关节整体形成一个高冗余度的结构体，很容易模仿实现蛇体的复杂运动形式。为了减少机器蛇的运动中的摩擦阻力，在机器蛇两侧安装有从动轮，实现了蛇体的平稳游动，增强了蛇形机器人的灵活性和机动性。采用轻型耐磨塑料制造蛇形机器人的主要结构，既减轻了蛇体的重量，又降低了加工的成本。

SolidSnake II蛇形机器人设有多项预留位置，如配备局部控制器、位置及力矩侍服器、从动轮锁死装置等配套装置，可实现机器蛇环境识别和自主运动。在机器蛇的头部配置有红外线探测头，可反馈对环境的监视数据。

在电路设计上采用485总线联接。上位机为PC机控制，通过对总线的定时轮询来实现随时插拔关节。此设计能方便地实现替换任意关节，能根据不同任务随时拆卸安装新的关节，甚至实现带电插拔，极大的增强了蛇形机器人的可靠性和耐用性。

并且，SolidSnakeII搭建了完善的软硬件开发平台，为后续的研究开发奠定了坚实的基础。随着研究的深入展开，蛇形机器人研究与应用一定会有更广阔的天地。

日本蛇形机器人

上个世纪七十年代，日本东京工业大学的Hirose教授就已经开始了蛇形机器人的研究。Hirose教授于1972年研制了第一台蛇形机器人（ActiveCordMechanism-ACMIII）。该机器人的总长为2m，具有20个关节，依靠伺服机构来驱动关节左右摆动。为与地面有效地接触，该机器人的腹部安装了脚轮。该机器人的最大速度为40cm/s，只能在平面上运动。继第一台蛇形机器人之后，Hirose教授的研究室又先后研制了一系列的蛇形机器人。ACM-R3是最近的研究成果，ACM-R3机器人采用完全无线控制的方式，每个关节自带电源。而且ACM-R3为三维结构，能够在三维环境中运动和完成复杂的三动作。

日本的NEC公司的Takanashi研制了刚性关节连接的蛇形机器人，该机器人的机构采用了特殊的关节结构，具有6个管状的连杆，长1.4m，直径42mm，重4.6kg，能够实现三维空间运动，可以应用在危险情况下的勘查和营救工作。

NASA的JPL采用了NEC的蛇形机器人结构设计了一种Serpentine robot，该机器人约1m长，直径4cm，重量为3.18kg，具有12个自由度，主要是完成在存在障碍物的环境中的操作任务

德国的GMD研制了蛇形机器人。该机器人采用绳索驱动，具有较好的柔性。此外，在蛇形机器人上安装了红外线传感器来检测环境信息。

此外，还有很多蛇形机器人先后被开发，这里就不一一介绍了。

挪威最新研究成果

挪威科技工业研究院(SINTEF Research Institute)已经设计出一种用于火星表面探测的蛇形机器人，正在努力改进。这种机器人形体类似于蛇，并能够像蛇一样穿越几乎所有障碍。

研究人员认为，这种蛇形机器人可以成为火星探测的极好工具，ESA 似乎也同意这一点。SINTEF刚刚从欧洲太空总署(European Space Agency，简称ESA )获得了50万挪威克朗(约合85,000美元)的资金，用于研制这种蛇形机器人。

SINTEF的研究人员表示，蛇形机器人将不会取代已有的火星探测工具火星车(Mars Rover)，他们正在寻找一种能够让这两种工具共同工作的方式。

“我们正在研究在几个备选方案，使火星车和蛇形机器人能够在一起工作。由于火星车具有强大的能源装置，它可以通过电缆为蛇形机器人提供能源。如果蛇形机器人不得不使用其自己的电池，它将很快耗尽能量，那样我们就会失去它。 “SINTEF高级研究科学家Aksel Transeth解释说。

“有一种选择是将蛇形机器人装进火星车的机械臂中，并使它具备与该机械臂断开连接和重新连接的能力，这样它就可以降落到火星表面，并进行独立活动。 ”Transeth补充说。

对研究人员来说，这将是一个理想的方案。这个方案允许火星车进行远距离旅行，而让蛇形机器人去探索那些难以靠近的地方。蛇形机器人可以凭借自身的能力钻孔、爬悬崖或者进入狭窄的裂隙去进行探测活动。

在理想的情况下，蛇形机器人不仅能火星车一同工作，而且能够帮助它脱离困境。

“蛇形机器人和火星车的联合也意味着，如果火星车被卡住了，蛇形机器人将能够协助它摆脱困境。”SINTEF高级研究员PAL Liljebäck 说，“当火星车被困，蛇形机器人可以降落到地面，并围绕周围的岩石转圈，使火星车能够通过电缆绞车的方式摆脱束缚。”

SINTEF还没有制造出这种蛇形机器人蛇的活动原型。但研究人员说，这项工作将在几个月内完成。

2024年3月，美国加州理工学院喷气推进实验室的一个机器人专家团队，与卡内基梅隆大学机器人研究所科学家合作，开发出一种蛇形机器人，用于调查土星第六大卫星土卫二的地形，以寻找生命的“蛛丝马迹”。相关研究论文发表于新一期《科学·机器人学》杂志。

国内研究情况

在我国，蛇形机器人的研究刚刚起步，但是进步较快。哈尔滨工业大学机器人研究所，上海交通大学等单位首先进行了蛇形机器人仿生方面的一些研究工作。上海交通大学崔显世、颜国正于1999年3月研制了我国第一台微小型仿蛇机器人样机，该机构由一系列刚性连杆连接而成，步进电机控制相邻两刚性连杆之间的夹角，使连杆可以在水平面内摆动，样机底面装有滚动轴承作为被动轮，用以改变纵向和横向摩擦系数之比，其后又相继作了一些相关的理论研究。2002年，国防科学技术大学研制了一个蛇形机器人样机，该样机不但可以实现平面内运动，而且采用密封外皮后，能在水面上实现蜿蜒运动。

中科院沈阳自动化所机器人重点实验室也开始了蛇形机器人的研究，并提出一种新型蛇形机器人结构，可实现多种适应环境的平面和空间运动形式，并作了深入的理论研究。沈阳航天航空大学等单位也开始蛇形机器人的相关研究工作。

研究方向

蛇形可重构机器人系统的研究已经引起了很多研究者的留意，仍需进一步研究的内容主要在以下几个方面：

（1）蛇形机器人系统中模块的功能．设计及实现方法．包括机器人的功能分析和功能的分配，模块的软、硬件功能分析，模块描述方法的研究，软、硬件模块的设计，软、硬件模块自动或快速连接方法的研究．

（2）蛇形机器人的构形设计．包括机器人所需完成任务描述方法的研究，机器人构形表达方法的研究，机器人最优构形天生方法的研究．

（3）蛇形机器人的运动学和动力学研究应主要考虑软件的可重构性．包括模块运动学和动力学的分析方法，分布式模块机器人运动学和动力学分析方法的研究．

（4）研究适用于可重构蛇形机器人系统的可重构实时控制软件．包括机器人控制模块的功能分析和划分方法的研究，软件重构方法的研究．

应用前景

蛇形机器人具有很多优点，能够应用到很多复杂和危险的环境中。虽然蛇形机器人的研究尚处在实验阶段，但蛇形机器人有广泛的应用前景。蛇形机器人可以应用到但不仅仅局限在以下各领域:

（1）科学探险和状况检查:代替或部分代替人去完成危险环境中的作业是研制机器人的主要目的之一。科学探险是科学家探索大自然奥秘和丰富地质资源的有利手段，但常常因为环境和气候恶劣，无法到达目的地完成指定的探险任务。非结构环境下的作业和运动对机器人的性能和运动形式提出了非常严格的要求。

（2）防恐防爆和灾难救援:自美国纽约的911事件之后，防恐防爆成为各个国家维护国家安全和人民生命财产不受侵害的主题。机器人学的研究人员制作了形式各异的机器人来代替人去完成防恐防爆和救援伤员的任务。蛇形机器人也适合于完成灾难救援任务。特别是蛇形机器人身体的各个部分都与地面接触，对地面的压力均匀而且非常小，适合在灾难后的危险建筑中运动和搜救。这些灾难主要包括:地震、爆炸、地质陷落、龙卷风和火灾等等。

（3）医疗:设计小型的移动机器人，进入人体器官(如肠道、血管)完成手术和定点给药是机器人研究的一个新的热门领域。如果将蛇形机器人做得非常小，就可以进入人体的肠道完成作业。

（4）航空航天:神州五号飞船的顺利返航证明了中国在航空航天方面坚实的科学实力。探月工程的启动表明中国政府探索外星系的决心和信心。正像美国的勇气号和机遇号机器人在火星上执行作业一样，探月工程也需要机器人来完成各种作业。蛇形机器人有望在这方面得到应用。

（5）危险环境作业:能够用身体移动和操作是蛇形机器人有别于其它移动机器人的一大特性。它可以穿越狭小空间、进入危险环境，然后完成操作任务。安装合适的传感器后，也可以应用蛇形机器人来完成排雷任务。

（6）军事:蛇形机器人本身体形细小，加上合适的伪装后，便于隐身。此外，如果蛇形机器人的每个单元都安装上传感器，那么它可以用甩掉关节的办法来布置传感器，形成一个大型的信息系统。

（7）作为操作手:将蛇形机器人的一端固定，那么它就变成一个具有冗余自由度的操作手，可以完成复杂的抓取动作。例如:狭小空间的操作，复杂环境下的避碰操作等等。

综上所述，蛇形机器人的研究对很多重要领域有着极其重要的意义。但我国在蛇形机器人的研究还在发展阶段，还需要进一步地发展。

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