蘇　中　張雙彪　李興城

1.北京信息科技大學(xué)，北京，100101　　2.北京理工大學(xué)，北京，100081

蛇形機(jī)器人的研究與發(fā)展綜述

蘇中1,2張雙彪2李興城2

1.北京信息科技大學(xué)，北京，1001012.北京理工大學(xué)，北京，100081

對(duì)國(guó)內(nèi)外蛇形機(jī)器人進(jìn)行了研究和分析，將其分為形態(tài)研究、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型、步態(tài)控制及穩(wěn)定性等研究?jī)?nèi)容，從二維運(yùn)動(dòng)和三維運(yùn)動(dòng)角度，對(duì)研究?jī)?nèi)容進(jìn)行了綜述、分析和總結(jié)。結(jié)合蛇形機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)步態(tài)特點(diǎn)，對(duì)國(guó)內(nèi)外研制的蛇形機(jī)器人進(jìn)行了分類(lèi)，最后對(duì)蛇形機(jī)器人的研究發(fā)展進(jìn)行了展望。

運(yùn)動(dòng)步態(tài)；運(yùn)動(dòng)學(xué)；動(dòng)力學(xué)；控制方法；穩(wěn)定性

0　引言

隨著科技的不斷發(fā)展，蛇形機(jī)器人作為新型可移動(dòng)的柔性機(jī)器人，以其具有多步態(tài)運(yùn)動(dòng)能力，且能夠適應(yīng)復(fù)雜多變的環(huán)境的特點(diǎn)，成為機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。特別地，蛇形機(jī)器人的易于偽裝、隱蔽性高、結(jié)構(gòu)緊密和高集成化等特點(diǎn)，使其能夠滿足偵察、巡邏等軍事需求，并且可通過(guò)空中投放到敵方陣地，利用自身攜帶的圖像采集設(shè)備，完成偵察任務(wù)。未來(lái)的蛇形機(jī)器人還可裝備一定的彈藥，完成攻擊或自爆等任務(wù)。

除軍事應(yīng)用外，蛇形機(jī)器人還具有較廣的民用前景，如地震和火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)搜救、井下毒體檢測(cè)、管道檢測(cè)、核電站輻射檢查、橋墩侵蝕檢查等，在人員不便進(jìn)入或難于進(jìn)入的高危險(xiǎn)領(lǐng)域，均可利用低成本的蛇形機(jī)器人代替操作人員，妥善地完成指派任務(wù)。結(jié)合這些優(yōu)點(diǎn)和用途，近年來(lái)對(duì)于蛇形機(jī)器人的研究，得到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

本文首先介紹生物蛇的基本步態(tài)，然后有針對(duì)性地研究了國(guó)內(nèi)外蛇形機(jī)器人的研究成果，從形態(tài)研究、運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和動(dòng)力學(xué)模型、步態(tài)控制及穩(wěn)定性分析等方面對(duì)理論研究進(jìn)行綜述，對(duì)已研制的蛇形機(jī)器人進(jìn)行分類(lèi)，并且對(duì)其研究現(xiàn)狀和問(wèn)題點(diǎn)進(jìn)行分析，最后對(duì)蛇形機(jī)器人研究進(jìn)行總結(jié)和展望。

1　生物蛇的運(yùn)動(dòng)形式

對(duì)于生物蛇的研究，最早起源于1946年，Gray[1]通過(guò)研究自然界的生物蛇，將其基本運(yùn)動(dòng)步態(tài)分為蜿蜒運(yùn)動(dòng)、直線運(yùn)動(dòng)、鼓風(fēng)琴運(yùn)動(dòng)和側(cè)移運(yùn)動(dòng)。蜿蜒運(yùn)動(dòng)(serpentine movement)是以側(cè)向波傳播為特征的運(yùn)動(dòng)步態(tài)，隨著側(cè)向波的傳遞，身體向前移動(dòng)，此種步態(tài)被認(rèn)為是生物蛇一種具有高效率的運(yùn)動(dòng)步態(tài)，適合地形平坦的環(huán)境。直線運(yùn)動(dòng)(rectilinear movement)是生物蛇通過(guò)肋骨、肌肉的交替運(yùn)動(dòng)，使身體向前爬行，此種方式與毛蟲(chóng)所采用爬行相似，其運(yùn)動(dòng)效率很低，常與其他步態(tài)聯(lián)合使用，適用于狹窄區(qū)域。鼓風(fēng)琴運(yùn)動(dòng)(concertina movement)，表面看來(lái)與蜿蜒運(yùn)動(dòng)相似，但其通過(guò)自身向前牽引，使身體向前爬行，通常生物蛇在樹(shù)上爬行時(shí)采用此種步態(tài)。側(cè)移運(yùn)動(dòng)(sidewinding movement)具有螺線形特征，可使身體橫向或斜向運(yùn)動(dòng)，最典型的是生活在沙漠中響尾蛇的運(yùn)動(dòng)步態(tài)(也稱作螺旋步態(tài)[2])，此步態(tài)使生物蛇具有更強(qiáng)的適應(yīng)性。此外，生物蛇在沿樹(shù)、桿等物體向上攀爬時(shí)采用的步態(tài)，也具有螺旋線特征，它是依靠螺旋內(nèi)測(cè)與物體之間的摩擦力穩(wěn)定身體，利用類(lèi)似于彈簧伸縮功能，促進(jìn)自身向上(前)運(yùn)動(dòng)。

2　蛇形機(jī)器人的理論研究狀況

基于Gray對(duì)生物蛇運(yùn)動(dòng)步態(tài)產(chǎn)生機(jī)理的研究，在20世紀(jì)70年代，東京工業(yè)大學(xué)率先開(kāi)始研究仿生蛇的運(yùn)動(dòng)步態(tài)，從此開(kāi)啟了智能機(jī)器人領(lǐng)域的又一扇大門(mén)——蛇形機(jī)器人。隨后美國(guó)、挪威、中國(guó)等多個(gè)國(guó)家的研究者們紛紛加入到蛇形機(jī)器人的科研行列，逐漸開(kāi)展由淺入深的研究。

蛇形機(jī)器人的理論研究是工程實(shí)驗(yàn)研究之基礎(chǔ)，綜合國(guó)內(nèi)外對(duì)于蛇形機(jī)器人的研究成果，主要包括形態(tài)研究、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型、步態(tài)控制及穩(wěn)定性分析三大塊內(nèi)容。

2.1形態(tài)研究

經(jīng)歷了自然法則優(yōu)勝劣汰的選擇，生物蛇所具有的運(yùn)動(dòng)步態(tài)是無(wú)足脊椎動(dòng)物行走步態(tài)的典范。國(guó)內(nèi)外學(xué)者通常將擬定的形態(tài)曲線作為理想的運(yùn)動(dòng)曲線，控制蛇形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)曲線向理想形態(tài)曲線逼近，逼近的形態(tài)曲線越流暢自然，越貼近實(shí)際，仿生爬行效率越高。在研究蛇形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)步態(tài)時(shí)，采用不同的形態(tài)曲線具有不盡相同的爬行效果。為建立合理的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，國(guó)內(nèi)外展開(kāi)了研究，并取得了一些成果。

蜿蜒運(yùn)動(dòng)是目前國(guó)內(nèi)外研究最多的一種二維步態(tài)，所具有的側(cè)向波傳遞過(guò)程，與正弦曲線變化相似，相位和波動(dòng)幅值隨著時(shí)間發(fā)生變換。Clothoid曲線是通過(guò)對(duì)兩個(gè)具有半周期的Cornu螺旋線聯(lián)合而成的，可作為蜿蜒運(yùn)動(dòng)逼近，但兩個(gè)螺旋線在連接點(diǎn)處并不連續(xù)，存在奇異點(diǎn)問(wèn)題[3]。Hirose[3]通過(guò)對(duì)生物蛇運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)和觀察，提出了用于逼近蜿蜒運(yùn)動(dòng)的Serpenoid曲線，并與正弦曲線和Clothoid曲線進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比及分析，結(jié)果顯示Serpenoid曲線具有較好的模擬效果。Ma[4]提出了Serpentine曲線，從運(yùn)動(dòng)效率角度證明了該曲線比Serpenoid曲線具有更好的模擬效果。

當(dāng)生物蛇沿桿向上攀爬或側(cè)移運(yùn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)形態(tài)體現(xiàn)為三維螺旋曲線，為準(zhǔn)確描述該曲線， Yamada等[5]采用Frenet-Serret方程，建立運(yùn)動(dòng)外形的三維曲線模型，Burdick等[6]通過(guò)分析側(cè)移運(yùn)動(dòng)過(guò)程，將蛇體結(jié)構(gòu)分為地面接觸部分和拱形部分，采用分段形式建立三維運(yùn)動(dòng)曲線，孫洪等[7]針對(duì)無(wú)輪結(jié)構(gòu)的蛇形機(jī)器人，建立了基于螺旋角的等距螺旋曲線，以上方法均具有較好的逼近效果。

2.2運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和動(dòng)力學(xué)模型

運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和動(dòng)力學(xué)模型是蛇形機(jī)器人的控制基礎(chǔ)。基于前人對(duì)生物蛇形態(tài)曲線的初步探索，為深入研究蛇形機(jī)器人步態(tài)，運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和動(dòng)力學(xué)模型成為該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。根據(jù)蛇形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)步態(tài)特點(diǎn)，可以將運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和動(dòng)力學(xué)模型分為二維步態(tài)和三維步態(tài)兩種。

2.2.1二維步態(tài)

蛇形機(jī)器人的二維步態(tài)主要指的是蜿蜒、內(nèi)攀爬和蠕動(dòng)(也稱行波步態(tài))。蜿蜒步態(tài)與生物蛇的蜿蜒運(yùn)動(dòng)相同，蠕動(dòng)步態(tài)猶如尺蠖蠕動(dòng)，但其效率很低，內(nèi)攀爬步態(tài)類(lèi)似于鼓風(fēng)琴運(yùn)動(dòng)，但是利用機(jī)器人兩個(gè)外側(cè)表面與外界的接觸摩擦力，及自身部分向前運(yùn)動(dòng)。

蜿蜒運(yùn)動(dòng)作為具有高效率的運(yùn)動(dòng)步態(tài)，成為學(xué)者們對(duì)二維步態(tài)的主要研究對(duì)象。Hirose[3]對(duì)生物蛇運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了觀察和骨骼解剖分析，建立了連桿機(jī)構(gòu)作為蜿蜒步態(tài)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，以及平面和坡面地形條件下動(dòng)力學(xué)模型，從數(shù)學(xué)角度得出蜿蜒運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生條件為摩擦力存在各向異性，并且發(fā)現(xiàn)生物蛇在爬行時(shí)，位于蜿蜒曲線兩側(cè)波峰處的腹部會(huì)向上抬起，將此運(yùn)動(dòng)稱作Sinus-lifting。隨著對(duì)Sinus-lifting運(yùn)動(dòng)研究的不斷深入，Yamada等[8]提出了弧形結(jié)構(gòu)的蛇形關(guān)節(jié)，通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行初步驗(yàn)證。Hu等[9]建立了切向和法向的摩擦力模型，并在不同角度的坡度下，對(duì)生物蛇進(jìn)行了爬行實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步證明了蜿蜒運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生條件。Kelly等[10]、Ostrowski等[11]針對(duì)裝有三個(gè)從動(dòng)輪的連桿型蛇形機(jī)器人，利用拉格朗日法建立了蜿蜒動(dòng)力學(xué)模型，并進(jìn)行了可控制性分析。Nilsson[12]通過(guò)對(duì)動(dòng)力學(xué)模型的理論推導(dǎo)，得出即使在各向同性的摩擦力作用下，仍存在效率低的蜿蜒運(yùn)動(dòng)的結(jié)論。Shapiro等[13]在Walton的摩擦力模型基礎(chǔ)上，建立了蛇形機(jī)器人內(nèi)攀爬方式的摩擦力表達(dá)式，在常規(guī)、線性和非線性三種摩擦力情況下，研究法向摩擦力和切向摩擦力的特性。為提高蛇形機(jī)器人對(duì)外界復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性，Liljeback等[14]分析了機(jī)器人自身與障礙物之間的位置關(guān)系，提出了平面運(yùn)動(dòng)的障礙輔助運(yùn)動(dòng)步態(tài)，建立了蛇形機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型。Rincon等[15]通過(guò)對(duì)四連桿蛇形機(jī)器人的蠕動(dòng)步態(tài)分析，建立了運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和動(dòng)力學(xué)模型。

國(guó)內(nèi)對(duì)蛇形機(jī)器人二維步態(tài)的研究也取得了一些成果。Ma等[16]建立坡面地形條件下的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型、動(dòng)力學(xué)模型，研究了坡面角度與摩擦力之間的關(guān)系，通過(guò)對(duì)無(wú)側(cè)滑條件下的運(yùn)動(dòng)步態(tài)進(jìn)行仿真，確定了步態(tài)實(shí)現(xiàn)的優(yōu)化參數(shù)。李斌等[17]提出了基于樂(lè)理的步態(tài)控制方法，通過(guò)定義樂(lè)理符號(hào)、規(guī)則等，實(shí)現(xiàn)了蛇形機(jī)器人蜿蜒運(yùn)動(dòng)控制。張佳帆等[18]通過(guò)對(duì)生物蛇蠕動(dòng)步態(tài)分析，建立了蠕動(dòng)步態(tài)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。孫洪等[19]受蜿蜒運(yùn)動(dòng)的啟發(fā)，在分析了蠕動(dòng)步態(tài)的波形傳播機(jī)理基礎(chǔ)上，將Serpenoid曲線作為蠕動(dòng)的驅(qū)動(dòng)函數(shù)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了可行性。

2.2.2三維步態(tài)

蛇形機(jī)器人的三維步態(tài)包括側(cè)移步態(tài)和攀爬步態(tài)，兩種步態(tài)與生物蛇的運(yùn)動(dòng)相同，并且均具有螺旋曲線的特點(diǎn)。

Chirikjian[20]從幾何角度定義了兩個(gè)螺旋線方向角，通過(guò)建立單位弧長(zhǎng)的表達(dá)式，進(jìn)而建立了全長(zhǎng)度的螺旋側(cè)移運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)側(cè)移和轉(zhuǎn)彎進(jìn)行定性仿真。

Hatton等[21]分析了螺旋側(cè)移運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，認(rèn)為在坡面地形條件下，生物蛇的側(cè)移運(yùn)動(dòng)曲線為橢圓螺旋曲線，建立了身體和地面接觸點(diǎn)與橢圓之間的幾何關(guān)系式。Gong等[22]基于前人的研究基礎(chǔ)，提出了利用側(cè)移運(yùn)動(dòng)的錐形螺旋曲線，實(shí)現(xiàn)蛇形機(jī)器人繞固定點(diǎn)側(cè)移轉(zhuǎn)彎的方法。

為了讓蛇形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)曲線平滑，Yamada等[5,8]提出了弧形連桿結(jié)構(gòu)，基于Frenet-Serret方程，建立了弧形結(jié)構(gòu)的三維模型，針對(duì)Sinus lifting運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明運(yùn)動(dòng)曲線平滑。

國(guó)內(nèi)對(duì)三維步態(tài)的動(dòng)力學(xué)模型研究很少，孫洪[23]在研究攀爬型蛇形機(jī)器人時(shí)，提出三連桿蠕動(dòng)方式，在理想情況下，建立了攀爬的數(shù)學(xué)模型。

二維運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型的研究成果很多，為三維步態(tài)的研究鋪墊了理論基礎(chǔ)。根據(jù)蛇形機(jī)器人的實(shí)際工作環(huán)境的復(fù)雜性，三維步態(tài)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和動(dòng)力學(xué)模型需要進(jìn)一步研究。

2.3蛇形機(jī)器人的步態(tài)控制及穩(wěn)定性分析

對(duì)蛇形機(jī)器人的步態(tài)控制分為二維步態(tài)控制和三維步態(tài)控制。目前的研究成果主要著重于二維步態(tài)控制，通常情況下，采用開(kāi)環(huán)控制即可實(shí)現(xiàn)蛇形機(jī)器人的步態(tài)運(yùn)動(dòng)，而為控制蛇形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)智能地、高效率地運(yùn)動(dòng)，需要研究閉環(huán)的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)步態(tài)控制。

目前，關(guān)于蛇形機(jī)器人控制方法的研究很多，都是基于動(dòng)力學(xué)模型，建立每個(gè)關(guān)節(jié)角數(shù)學(xué)關(guān)系式，從而設(shè)計(jì)步態(tài)控制器。Date等[24]在側(cè)滑約束力的條件下，根據(jù)蛇形機(jī)器人頭部速度，設(shè)計(jì)頭部跟蹤已規(guī)劃路徑的跟蹤率，實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)器人的路徑控制。Prautsch等[25]提出蜿蜒運(yùn)動(dòng)的速度控制方法，通過(guò)李亞普諾夫方程得到控制方程，以控制輸入量的大小衡量系統(tǒng)能量消耗水平，得出了約束為功耗最小時(shí)，蜿蜒運(yùn)動(dòng)的速度控制參數(shù)。為避免蛇形機(jī)器人的直線狀態(tài)的奇異情況，Matsuno等[26]分別設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)操縱性和約束力的價(jià)值函數(shù)，通過(guò)控制身體形狀來(lái)滿足價(jià)值函數(shù)。Li等[27]建立了蛇形機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型，采用被動(dòng)控制方法設(shè)計(jì)了控制器，并用李亞普諾夫理論驗(yàn)證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為解決關(guān)節(jié)受外界環(huán)境阻礙，而導(dǎo)致蛇形機(jī)器人無(wú)法運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題，Liljeback等[14]建立接觸力和相對(duì)角的關(guān)系，設(shè)計(jì)了關(guān)節(jié)相對(duì)角的比例-微分控制器，該控制器通過(guò)對(duì)機(jī)器人的接觸力的測(cè)量，調(diào)整關(guān)節(jié)相對(duì)角，實(shí)現(xiàn)障礙輔助自適應(yīng)的前進(jìn)步態(tài)，同時(shí)利用非線性理論分析了二維步態(tài)控制系統(tǒng)，得出蛇形機(jī)器人漸進(jìn)穩(wěn)定到平衡點(diǎn)的控制率是時(shí)變的，并且當(dāng)與地面的摩擦力為各向同性時(shí)，系統(tǒng)不可控，當(dāng)為各項(xiàng)異性時(shí)，系統(tǒng)為強(qiáng)可達(dá)到的結(jié)論。他們還建立了路徑跟蹤控制器，利用龐加萊映射分析了該控制器的穩(wěn)定性[28]。

國(guó)內(nèi)從事蛇形機(jī)器人的科研單位在控制方法上也取得了一些成果。為實(shí)現(xiàn)輪式蛇形機(jī)器人的蜿蜒運(yùn)動(dòng)，Ma等[29]以輪高、頭部的方向角和頭部的高度作為狀態(tài)變量，將各關(guān)節(jié)的相對(duì)轉(zhuǎn)角作為控制量，設(shè)計(jì)閉環(huán)控制回路，仿真結(jié)果顯示，在蜿蜒曲線控制的同時(shí)，頭部位置和方向均得到較好的控制效果。陳麗等[30]針對(duì)三維側(cè)向運(yùn)動(dòng)看作水平方向和垂直方向蜿蜒運(yùn)動(dòng)的復(fù)合，建立了空間運(yùn)動(dòng)方程。為研究蛇形機(jī)器人纜索攀爬步態(tài)，魏武等[31]采用迭代鏈擬合方法和關(guān)鍵幀提取的聯(lián)合方法，對(duì)蛇體曲線進(jìn)行擬合并生成運(yùn)動(dòng)步態(tài)。盧振利等[32-34]通過(guò)分析神經(jīng)元模型的特性，提出采用循環(huán)抑制的中樞模式發(fā)生器(CPG)，控制蛇形機(jī)器人的二維和三維步態(tài)，以及實(shí)現(xiàn)步態(tài)轉(zhuǎn)換，又提出層次化聯(lián)結(jié)CPG模型，控制機(jī)器人的三維步態(tài)，該方法不完全依賴動(dòng)力學(xué)模型，可根據(jù)控制器的輸出規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角控制，從而實(shí)現(xiàn)蜿蜒運(yùn)動(dòng)。王智鋒等[35]從能量傳遞的角度，提出了被動(dòng)蜿蜒控制方法，該方法能夠讓蛇形機(jī)器人不主動(dòng)測(cè)量環(huán)境信息，依靠自身能量狀態(tài)被動(dòng)地適應(yīng)環(huán)境。Wu等[36]通過(guò)分析單向連接的CPG模型，提出了反饋式CPG模型，初步分析了CPG參數(shù)對(duì)蜿蜒運(yùn)動(dòng)的影響，從仿真和實(shí)驗(yàn)兩方面驗(yàn)證了步態(tài)控制的反饋式CPG模型。

3　蛇形機(jī)器人的本體研究狀況

幾十年來(lái)，經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外學(xué)者們的不懈努力，對(duì)蛇形機(jī)器人的研究成果不但體現(xiàn)在理論上，而且本體樣機(jī)的研制上，也結(jié)出了可喜碩果，國(guó)內(nèi)外涌現(xiàn)出不同種類(lèi)、不同功能的蛇形機(jī)器人。

3.1國(guó)外蛇形機(jī)器人

圖1　ACM-R5

圖2　ACM-R5的關(guān)節(jié)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

Hirose[3]提出了Active Cord Mechanism蛇形機(jī)器人，其率領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)于1972年研制出世界上第一架命名為ACM 的蛇形機(jī)器人，隨著研究的深入，先后研制出具有代表性的ACM-Ⅲ、ACM-R2、ACM-R3和ACM-R4等陸地蛇形機(jī)器人，這些機(jī)器人已經(jīng)從簡(jiǎn)單的二維運(yùn)動(dòng)，發(fā)展到了適應(yīng)凹凸不平的崎嶇地面。為滿足水下探測(cè)需要，該團(tuán)隊(duì)又研發(fā)了名為ACM-R5的水陸兩棲蛇形機(jī)器人，如圖1所示。該機(jī)器人的關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)了一對(duì)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，通過(guò)齒輪系傳動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)俯仰和偏航運(yùn)動(dòng)，如圖2所示。在每個(gè)節(jié)軀干單元的外側(cè)，每隔60°安裝一個(gè)帶有小從動(dòng)輪的葉片，這樣，在關(guān)節(jié)進(jìn)行防水處理后，ACM-R5既可實(shí)現(xiàn)陸上的蜿蜒、翻滾和側(cè)向運(yùn)動(dòng)，又可實(shí)現(xiàn)水下的自由游動(dòng)，并且其游動(dòng)速度不少于0.9 m/min。在機(jī)器人的頭部裝有一部攝像頭，憑借自身的無(wú)限傳輸功能，可以將攝像頭采集到的數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[3,37-39]。該蛇形機(jī)器人可通過(guò)尾部的電源接口實(shí)現(xiàn)有線供電，當(dāng)進(jìn)行水下作業(yè)時(shí)，也可通過(guò)自身攜帶的聚合物鋰電池進(jìn)行自主供電。

德國(guó)國(guó)家信息技術(shù)研究中心于20世紀(jì)末，先后研制出GMD-Snake和GMD-Snake2，如圖3和圖4所示。GMD-Snake頭部帶有用于探測(cè)障礙物的壓力傳感器和照明用的LED燈，各個(gè)關(guān)節(jié)裝有檢測(cè)角度的彈簧觸點(diǎn)裝置，以及用于控制水平和垂直方向的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該機(jī)器人能夠完成平地爬行和越障爬行[40]。

圖3　GMD-Snake

圖4　GMD-Snake2

基于GMD-Snake功能和結(jié)構(gòu)的研究，GMD-Snake2的頭部裝有一個(gè)用于圖像識(shí)別的攝像頭，每節(jié)軀干單元的殼體都由圓柱形鋁材構(gòu)成，其關(guān)節(jié)與GMD-Snake相同，通過(guò)兩個(gè)電機(jī)連接而成的萬(wàn)向節(jié)實(shí)現(xiàn)，如圖5所示。在殼體外側(cè)每隔60°安裝一對(duì)小從動(dòng)輪，殼體內(nèi)部裝有感知運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的加速度傳感器，以及用于測(cè)量距離的機(jī)械-光學(xué)傳感器。與GMD-Snake相同，需要外部提供24V電源[41]。

圖5　GMD-Snake關(guān)節(jié)

圖6　OmniTread 蛇形機(jī)器人結(jié)構(gòu)

美國(guó)密歇根大學(xué)研制的OmniTread OT-4和OmniTread OT-8蛇形機(jī)器人具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，如圖6所示，該系列機(jī)器人由7節(jié)軀干單元組成，每個(gè)單元具有各自的作用。單元1為有效載荷單元，單元2和單元6為空氣壓縮器，單元3和單元5為能源單元，單元4為驅(qū)動(dòng)單元。在每個(gè)軀干單元外與地面接觸的平面上分別裝有一對(duì)履帶，以保證機(jī)器人發(fā)生機(jī)體翻時(shí)仍具有足夠的爬行能力。軀干單元之間設(shè)計(jì)了氣動(dòng)二自由度的關(guān)節(jié)，利用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)可實(shí)現(xiàn)OmniTread機(jī)器人的俯仰和偏航運(yùn)動(dòng)。

OmniTread蛇形機(jī)器人利用兩塊并聯(lián)的7.4 V、730 mA·h的聚合物鋰電池作為驅(qū)動(dòng)電源，安裝在驅(qū)動(dòng)電機(jī)兩側(cè)。OmniTread OT-8與OmniTread OT-4不同之處在于可實(shí)現(xiàn)無(wú)線操控，可通過(guò)直徑為23.32 cm(8 inch)的管道，而OmniTread OT-4需要有線操控，僅能通過(guò)直徑為11.16 cm(4 inch)通道。在脊柱結(jié)構(gòu)內(nèi)OmniTread機(jī)器人具有很強(qiáng)的翻越能力，能夠適應(yīng)叢林、戈壁、管道等崎嶇環(huán)境，爬行速度可達(dá)到0.9 m/min[42]。

美國(guó)Gavin Miller帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研制了S系列的蛇形機(jī)器人，其中，S5蛇形機(jī)器人具有極高的仿生效果，如圖7所示。該機(jī)器人由64個(gè)伺服電機(jī)和8個(gè)伺服控制軀干單元組成，每個(gè)單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖8所示，可見(jiàn)該結(jié)構(gòu)僅能進(jìn)行偏航運(yùn)動(dòng)。此外，S5自身攜帶的42塊聚合物鋰電池完成供電。由于S5的軀干關(guān)節(jié)數(shù)量大、長(zhǎng)徑比小，所以平面蜿蜒運(yùn)動(dòng)具有極高的仿生效果。

圖7　蛇形機(jī)器人S5

圖8　S5蛇形機(jī)器人的軀干單元結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

為實(shí)現(xiàn)距離檢測(cè)、運(yùn)動(dòng)測(cè)量、圖像采集、轉(zhuǎn)動(dòng)等功能，Gavin Miller對(duì)最新款的S7蛇形機(jī)器人集成了多種傳感器，如圖9所示[43]。

圖9　蛇形機(jī)器人S7

美國(guó)卡耐基梅隆大學(xué)主要研究用于攀爬的模塊化蛇形機(jī)器人，具有代表性的蛇形機(jī)器人為Uncle Sam，如圖10所示。該機(jī)器人研制考慮了尺寸、功耗和速度等因素對(duì)步態(tài)控制的影響，機(jī)身全長(zhǎng)為94 cm，直徑為5.1 cm。圖11為模塊的示意圖。每個(gè)模塊裝有一個(gè)伺服電機(jī)，通過(guò)減速結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)桿的動(dòng)力輸出，并且驅(qū)動(dòng)桿與連接桿正交設(shè)計(jì)，將兩個(gè)模塊進(jìn)行連接后，水平方向的驅(qū)動(dòng)桿可實(shí)現(xiàn)偏航運(yùn)動(dòng)，鉛垂方向的驅(qū)動(dòng)桿可實(shí)現(xiàn)偏航運(yùn)動(dòng)。

圖10　蛇形機(jī)器人Uncle Sam

圖11　單模塊的結(jié)構(gòu)示意圖

卡耐基梅隆大學(xué)模塊化蛇形機(jī)器人采用螺旋步態(tài)實(shí)現(xiàn)向前爬行，具有很強(qiáng)的翻越能力，根據(jù)攀爬方式不同，分為內(nèi)攀爬式和外攀爬式兩種，二者均以自身和外部環(huán)境的摩擦作為力學(xué)約束條件，通過(guò)身體的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)沿壁或桿(柱)體爬行，適用于空間狹窄的管道、墻壁狹縫、桿(柱)體等環(huán)境爬行。該機(jī)器人結(jié)構(gòu)節(jié)湊運(yùn)動(dòng)靈活的特點(diǎn)，需要有線控制和外接電源[44-45]。

卡內(nèi)基梅隆大學(xué)協(xié)助研發(fā)了一種鉑硅復(fù)合的皮膚，既能保護(hù)機(jī)器人機(jī)構(gòu)，還能適應(yīng)濕地、沙地、灌木叢等環(huán)境，進(jìn)而研制了一種具有皮膚驅(qū)動(dòng)能力的蛇形機(jī)器人(TSDS)，通過(guò)控制皮膚向后運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)身體向前運(yùn)動(dòng)，如圖12所示[46]。

圖12　皮膚驅(qū)動(dòng)的蛇形機(jī)器人TSDS

挪威科技大學(xué)研發(fā)了用于火災(zāi)撲救的蛇形機(jī)器人Anna Konda，其體型較大，軀干采用金屬材料加工，具有20個(gè)液壓馬達(dá)，身長(zhǎng)為3 m，總質(zhì)量為75 kg。該機(jī)器人頭部帶有兩個(gè)滅火劑噴嘴，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，可對(duì)準(zhǔn)火源進(jìn)行撲救，如圖13所示[47-48]。

圖13　蛇形機(jī)器人Anna Konda

為深入研究障礙輔助運(yùn)動(dòng)步態(tài)，挪威科技大學(xué)又研制了名為Aiko和Kullo的蛇形機(jī)器人，如圖14、圖15所示，盡管二者為無(wú)輪式的蛇形機(jī)器人，但均可實(shí)現(xiàn)多步態(tài)運(yùn)動(dòng)[49-50]。Aiko身長(zhǎng)1.5 m，總質(zhì)量7 kg，采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，需外接電源供電，未攜帶任何傳感器。

圖14　蛇形機(jī)器人Aiko

圖15　蛇形機(jī)器人Kullo

而對(duì)于由10節(jié)軀干單元組成的Kullo，每個(gè)的單元均裝有壓力傳感器，可感知機(jī)器人自身與外界的作用力。Kullo的軀干單元具有光滑的球型外殼，包裹著一個(gè)環(huán)形和兩個(gè)半環(huán)形的金屬框架，通過(guò)兩個(gè)輸出軸為正交安裝的伺服電機(jī)，以及齒輪系的傳動(dòng)裝置，可實(shí)現(xiàn)水平方向的框架發(fā)生俯仰，鉛垂方向的框架發(fā)生偏航運(yùn)動(dòng)，軀干單元的示意圖如圖16所示。

圖16　Kullo軀干單元的結(jié)構(gòu)示意圖

3.2國(guó)內(nèi)蛇形機(jī)器人

我國(guó)對(duì)蛇形機(jī)器人本體的研制稍晚于國(guó)外，但研發(fā)腳步逐漸趕上國(guó)外發(fā)展水平，近年來(lái)也取得了可喜成果。

中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所以馬書(shū)根為核心的機(jī)器人研發(fā)團(tuán)隊(duì)，通過(guò)與日本合作，共同研制出具有代表性的蛇形機(jī)器人巡視者Ⅱ和探查者Ⅲ，如圖17和圖18所示。

圖17　巡視者Ⅱ

圖18　探查者Ⅲ

巡視者Ⅱ由金屬材質(zhì)的軀干單元組成，全長(zhǎng)約1.2 m，總質(zhì)量8 kg，單元間通過(guò)特有的萬(wàn)向節(jié)鏈接，能夠?qū)崿F(xiàn)俯仰、偏航和滾轉(zhuǎn)三軸轉(zhuǎn)動(dòng)，每節(jié)軀干單元周?chē)b有“體輪”，可減小運(yùn)動(dòng)阻力，提高運(yùn)動(dòng)效率，其頭部裝有視覺(jué)傳感器和GPS系統(tǒng)，用來(lái)輔助運(yùn)動(dòng)控制。此外，該機(jī)器人可自身攜帶電源，以及實(shí)現(xiàn)無(wú)線操控[51]。

基于對(duì)巡視者Ⅱ的研究，探查者Ⅲ可實(shí)現(xiàn)水陸兩棲復(fù)雜環(huán)境的運(yùn)動(dòng)，共由9節(jié)軀干單元組成，總長(zhǎng)1.17 m，總質(zhì)量6.75 kg。為適應(yīng)水下環(huán)境，在軀干單元的徑向，每間隔45°安裝一個(gè)帶有從動(dòng)輪的漿，而取代了“體輪”，并且在單元之間增加了防水密封裝置。單元內(nèi)采用兩個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)齒輪系傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)俯仰和偏航運(yùn)動(dòng)，單元結(jié)構(gòu)如圖19所示，當(dāng)左右齒輪同向運(yùn)動(dòng)時(shí)，發(fā)生俯仰運(yùn)動(dòng)，當(dāng)左右齒輪發(fā)生相反方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，發(fā)生偏航運(yùn)動(dòng)[52]。

圖19　探查者Ⅲ的單元結(jié)構(gòu)

上海交通大學(xué)研制的適合于攀爬的CSR機(jī)器人，全長(zhǎng)約1.5 m，總質(zhì)量約2.7 kg，由15個(gè)具有俯仰和滾轉(zhuǎn)功能的軀干單元組成，外面包裹一層增大接觸力的膠帶，如圖20所示[53]。

圖20　蛇形機(jī)器人CRS

與其他類(lèi)型機(jī)器人不同，該機(jī)器人的軀干單元兩端可實(shí)現(xiàn)繞徑向轉(zhuǎn)動(dòng)，中間可繞軸向轉(zhuǎn)動(dòng)，改變徑向轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人能繞柱體攀爬，如圖21所示。

圖21　蛇形機(jī)器人CRS的軀干單元

國(guó)防科技大學(xué)研制的蛇形機(jī)器人(簡(jiǎn)稱NUDT SR)，總長(zhǎng)1.2 m，總質(zhì)量1.8 kg，可實(shí)現(xiàn)蜿蜒運(yùn)動(dòng)，最大前進(jìn)速度可達(dá)20 m/min，其頭部帶有視頻采集裝置，如圖22所示[54]，然而目前關(guān)于該機(jī)器人的資料很少。

圖22　國(guó)防科技大學(xué)的蛇形機(jī)器人

北京信息科技大學(xué)正在研制一種新型的蛇形機(jī)器人“中國(guó)龍”(圖23)，全長(zhǎng)約1.2 m，總質(zhì)量約2.6 kg。該機(jī)器人9個(gè)軀干單元構(gòu)成，以及頭、尾關(guān)節(jié)，其中一節(jié)為分體單元。軀干單元內(nèi)部裝控制系統(tǒng)和聚合物鋰電池組，而分體單元內(nèi)部裝有一個(gè)伺服電機(jī)。單元之間通過(guò)伺服電機(jī)連接，水平安裝的電機(jī)實(shí)現(xiàn)俯仰運(yùn)動(dòng)，鉛垂方向的電機(jī)實(shí)現(xiàn)偏航轉(zhuǎn)動(dòng)。軀干單元間隔裝有一對(duì)從動(dòng)輪，從動(dòng)輪與單元之間通過(guò)伺服電機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)自身變形，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖24所示。

圖23　蛇形機(jī)器人“中國(guó)龍”

圖24　“中國(guó)龍”的軀干單元和分體單元

“中國(guó)龍”機(jī)器人不但具有多種運(yùn)動(dòng)步態(tài)，而且能夠利用自身穿戴帶有溫濕度、氣體、壓力等傳感器的全織物皮膚，感知外界環(huán)境變化，并能采用分體、變形方式調(diào)整自身參數(shù)，以適應(yīng)復(fù)雜惡劣的環(huán)境，如圖25所示。

圖25　具有感知功能的全織物皮膚

3.3蛇形機(jī)器人分類(lèi)

國(guó)內(nèi)外研制的蛇形機(jī)器人，在結(jié)構(gòu)上主要有兩大特點(diǎn)，一是連接機(jī)器人軀干單元的連接關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)功能，二是機(jī)器人與外界接觸的輪關(guān)節(jié)。

目前，蛇形機(jī)器人軀干單元均采用連桿式結(jié)構(gòu)，軀干單元根據(jù)單軸轉(zhuǎn)動(dòng)、雙軸轉(zhuǎn)動(dòng)和三軸轉(zhuǎn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)情況，可進(jìn)行分類(lèi)。將單軸轉(zhuǎn)動(dòng)的關(guān)節(jié)按照轉(zhuǎn)動(dòng)軸的平行安裝，可稱為單軸平行安裝方式的單軸轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)蛇形機(jī)器人的蜿蜒和蠕動(dòng)。而將單軸轉(zhuǎn)動(dòng)的關(guān)節(jié)按照轉(zhuǎn)動(dòng)軸的非共面正交安裝，可稱為非共面單軸正交安裝方式的雙軸轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)蜿蜒和鼓風(fēng)琴運(yùn)動(dòng)，還能完成側(cè)向運(yùn)動(dòng)和攀爬運(yùn)動(dòng)。還有一種將單軸轉(zhuǎn)動(dòng)的關(guān)節(jié)按照轉(zhuǎn)動(dòng)軸的共面正交安裝，可稱為共面軸正交安裝方式的雙軸轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，如CRS。還有一種雙軸轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)是通過(guò)齒輪系設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)俯仰和偏航，如ACM-R5和Kullo等。三軸轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)不但可以實(shí)現(xiàn)俯仰和偏航運(yùn)動(dòng)，還能夠繞軀干單元的軸線方向進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，如GMD-Snake2，盡管由此結(jié)構(gòu)組成的蛇形機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)三維運(yùn)動(dòng)，但對(duì)伺服電機(jī)的輸出力矩要求很高，從而導(dǎo)致機(jī)器人的尺寸大，功耗大。

輪關(guān)節(jié)可分為主動(dòng)輪和從動(dòng)輪，主動(dòng)輪能夠提高爬行能，從動(dòng)輪是為滿足機(jī)器人在蜿蜒運(yùn)動(dòng)時(shí)摩擦力的各向異性條件而設(shè)計(jì)的。根據(jù)運(yùn)動(dòng)步態(tài)和功能的不同，蛇形機(jī)器人可以有從動(dòng)輪結(jié)構(gòu)和無(wú)從動(dòng)輪結(jié)構(gòu)。根據(jù)這兩個(gè)特點(diǎn)，可以將前面所述蛇形機(jī)器人進(jìn)行分類(lèi)，如表1所示。

表1　按結(jié)構(gòu)對(duì)蛇形機(jī)器人分類(lèi)

從步態(tài)實(shí)現(xiàn)的角度，可以對(duì)表1所示的機(jī)器人進(jìn)一步劃分，具體內(nèi)容如表2所示。

表2　按運(yùn)動(dòng)步態(tài)對(duì)蛇形機(jī)器人分類(lèi)

4　蛇形機(jī)器人研究現(xiàn)狀分析

綜上對(duì)蛇形機(jī)器人理論和本體樣機(jī)的研究，從如下4個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行分析。

4.1運(yùn)動(dòng)性能分析

蛇形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)步態(tài)研究得到一定程度的發(fā)展。蜿蜒運(yùn)動(dòng)是一種具有高效率的運(yùn)動(dòng)步態(tài)，成為步態(tài)研究重點(diǎn)，其他步態(tài)如蠕動(dòng)、攀爬等也均得以實(shí)現(xiàn)，但這些步態(tài)與生物蛇相比，仿生效果尚存在一定差距。目前的蛇形機(jī)器人大多具有平面運(yùn)動(dòng)能力，但三維運(yùn)動(dòng)能力匱乏。究其原因，可以總結(jié)為如下三點(diǎn)：一是蛇形機(jī)器人軀干單元采用單軸轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。生物蛇在空間上可靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，使自身展現(xiàn)出更好的柔性效果，而蛇形機(jī)器人必須采用具有雙軸或三軸轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，才能達(dá)到模擬生物蛇運(yùn)動(dòng)的逼真效果。二是軀干單元尺寸大，輸出效率低，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)效果不佳，所以需要實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)小型化。三是三維運(yùn)動(dòng)理論研究處于瓶頸，仍需要進(jìn)一步完善?，F(xiàn)有的成果正處于蛇形機(jī)器人理論研究的初步探索階段，主要以適合平坦路面的二維運(yùn)動(dòng)為重點(diǎn)，對(duì)于運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生機(jī)制、步態(tài)節(jié)奏控制方法等方面具有探索性的研究意義，而對(duì)于空間三維運(yùn)動(dòng)研究甚少，如當(dāng)機(jī)器人遇到低矮障礙時(shí)，或外界干擾引起身形發(fā)生大幅度變化時(shí)，憑借現(xiàn)階段的理論水平很難順利完成翻越運(yùn)動(dòng)，或調(diào)節(jié)自身體形適應(yīng)環(huán)境，并向前運(yùn)動(dòng)?？梢?jiàn)，對(duì)于蛇形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)理論研究尚不夠，遠(yuǎn)不足以構(gòu)建研發(fā)高仿真蛇形機(jī)器人的理論框架。

4.2功能特性分析

經(jīng)過(guò)對(duì)蛇形機(jī)器人不斷研發(fā)，其運(yùn)動(dòng)能力開(kāi)始向?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)方向發(fā)展。雙軸轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的研制提高了機(jī)器人的靈活性和集成度，為三維運(yùn)動(dòng)的高仿生運(yùn)動(dòng)提供了基礎(chǔ)。嘗試性地將適應(yīng)領(lǐng)域從陸地向水陸兩棲發(fā)展，使蛇形機(jī)器人不僅具有陸地爬行能力，還具有水中的游動(dòng)能力。

最新研發(fā)的蛇形機(jī)器人具有了一定的環(huán)境感知能力，其集成的壓力、視覺(jué)、距離、角度、速度等傳感器，使機(jī)器人能掌握所處環(huán)境的相關(guān)信息，通過(guò)數(shù)據(jù)融合技術(shù)，可調(diào)節(jié)其適應(yīng)環(huán)境的控制參數(shù)，滿足該環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)要求。除此之外，蛇形機(jī)器人在結(jié)構(gòu)上開(kāi)始向具有變形、分體等新功能發(fā)展，這樣結(jié)合多傳感器融合技術(shù)，使其時(shí)刻敏感外部環(huán)境，可進(jìn)行分體協(xié)同運(yùn)動(dòng)，以及完成必要的變形運(yùn)動(dòng)。這些都為機(jī)器人的自主運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)提供了基本條件。

然而，在實(shí)現(xiàn)這些功能過(guò)程中，仍然存在一些問(wèn)題需要克服。水陸兩棲機(jī)器人在水中需要不斷運(yùn)動(dòng)，由于密封部位處于周期性交替拉伸和舒張過(guò)程，長(zhǎng)時(shí)間工作引起密封部位出現(xiàn)疲勞開(kāi)膠，導(dǎo)致內(nèi)部漏水，控制系統(tǒng)無(wú)法正常工作，這便為機(jī)器蛇防水關(guān)節(jié)的密封性和續(xù)航時(shí)間提出了一定挑戰(zhàn)。對(duì)于暴露在外界的關(guān)節(jié)，其容易受到外界猛烈的碰撞而破壞，所以需要選擇合適的結(jié)構(gòu)和高強(qiáng)度的材料作為加工的原材料，或者采用設(shè)計(jì)外加關(guān)節(jié)的保護(hù)套等措施來(lái)應(yīng)對(duì)。對(duì)于某些工作環(huán)境，僅僅依靠軀干單元的伺服電機(jī)機(jī)動(dòng)力實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，不能得到有效的、高效率的爬行結(jié)果，可以考慮通過(guò)對(duì)從動(dòng)輪施加動(dòng)力，成為驅(qū)動(dòng)輪，增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)能力。在集成電路的設(shè)計(jì)上，需要格外考慮系統(tǒng)在集成各種傳感器后的可靠性問(wèn)題，如散熱等。為滿足多功能、長(zhǎng)續(xù)航的工作要求，蛇形機(jī)器人在保證低負(fù)載、便攜帶的條件下，需要裝配體積的高容量電池。

4.3運(yùn)動(dòng)環(huán)境分析

蛇形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)環(huán)境開(kāi)始從二維平面環(huán)境向三維復(fù)雜環(huán)境發(fā)展?？v觀蛇形機(jī)器人的理論研究，均以結(jié)構(gòu)環(huán)境為應(yīng)用背景(即外界環(huán)境為已知的、有規(guī)則的)，主要以平面的二維運(yùn)動(dòng)為主，適合實(shí)驗(yàn)室研究，核電站等具有平坦路面的工作環(huán)境。對(duì)于叢林、草地、戈壁、震災(zāi)廢墟等多障礙、甚凹凸、極崎嶇等非結(jié)構(gòu)環(huán)境的應(yīng)用，蛇形機(jī)器人的應(yīng)用便具有很大的局限性，需要深入研究三維運(yùn)動(dòng)。況且，對(duì)于運(yùn)動(dòng)控制的研究，一種是以動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)的有模型控制，另一種是以神經(jīng)生理學(xué)CPG為主的控制方法?；趧?dòng)力學(xué)模型的控制方法，在結(jié)構(gòu)環(huán)境下運(yùn)動(dòng)控制研究具有清楚、直觀和便于理解的特點(diǎn)，但對(duì)于非結(jié)構(gòu)環(huán)境下，基于該方法建立的模型則會(huì)及其復(fù)雜。而對(duì)于CPG控制方法，不依賴機(jī)器人精確的物理模型，便提供較可靠的控制信號(hào)，并且，此控制方法具有很好的穩(wěn)定性，可結(jié)合自適應(yīng)控制理論，提高蛇形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)步態(tài)的仿生效果。

4.4項(xiàng)目資助分析

隨著國(guó)內(nèi)外對(duì)蛇形機(jī)器人的關(guān)注度不斷提高，對(duì)該領(lǐng)域的研究在不同國(guó)家得到格外重視，均取得了高水平的科研資助。

日本對(duì)蛇形機(jī)器人的資助，主要包括教育部科學(xué)、體育、文化、財(cái)政資助科學(xué)研究先進(jìn)機(jī)器人研發(fā)的創(chuàng)新工程項(xiàng)目，國(guó)際救援系統(tǒng)研究所和國(guó)立地球科學(xué)防災(zāi)研究所共同資助的社會(huì)防震減災(zāi)項(xiàng)目等。美國(guó)對(duì)蛇形機(jī)器人研究受到了國(guó)家科學(xué)基金、國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局等的頂級(jí)資助，而且也得到了海軍青年研究學(xué)者部門(mén)的資助。

在我國(guó)，蛇形機(jī)器人研發(fā)同樣倍受重視，得到了國(guó)家、省地方的重點(diǎn)資助，其中包括國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)、中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程青年人才領(lǐng)域前沿項(xiàng)目、北京市科技計(jì)劃項(xiàng)目、北京市教委創(chuàng)新能力提升計(jì)劃項(xiàng)目、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目、湖南省張花高速公路支持項(xiàng)目、交通運(yùn)輸部西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目等資助。

5　結(jié)論與展望

針對(duì)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)信息化、民用領(lǐng)域的廣泛需求，結(jié)合蛇形機(jī)器人易于偽裝、隱蔽性高、結(jié)構(gòu)緊密和高集成化等特點(diǎn)，本文對(duì)國(guó)內(nèi)外近40年的仿生蛇的理論研究和本體研制狀況進(jìn)行了有針對(duì)性的研究。

根據(jù)生物蛇具有的蜿蜒運(yùn)動(dòng)、直線運(yùn)動(dòng)、鼓風(fēng)琴運(yùn)動(dòng)和側(cè)移運(yùn)動(dòng)等的基本步態(tài)，國(guó)內(nèi)外提出了描述二維運(yùn)動(dòng)的Clothoid、Serpenoid和Serpentine曲線，建立了三維運(yùn)動(dòng)的螺旋曲線。為實(shí)現(xiàn)蛇形機(jī)器人的步態(tài)控制，從不同角度建立了的二維和三維的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和動(dòng)力學(xué)模型，由此設(shè)計(jì)不同種類(lèi)的步態(tài)控制器，并在穩(wěn)定性分析方面做了一定的研究?？v觀蛇形機(jī)器人本體研制狀況，日本、美國(guó)、德國(guó)、挪威、中國(guó)等國(guó)家通過(guò)不懈努力研發(fā)，研究了具有不同功能的蛇形機(jī)器人，本文根據(jù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)步態(tài)的特點(diǎn)，對(duì)蛇形機(jī)器人進(jìn)行了分類(lèi)。而且，這些研究得到了不同國(guó)家的關(guān)注，得到了重要項(xiàng)目的大力資助。

盡管目前對(duì)蛇形機(jī)器人的研究已取得了一定的研究成果，但為提高其適應(yīng)能力，未來(lái)的工作需要從不同角度對(duì)蛇形機(jī)器人進(jìn)行深入研究。

在運(yùn)動(dòng)能力方面，三維運(yùn)動(dòng)能力將全面提高蛇形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力，滿足適合復(fù)雜的、非結(jié)構(gòu)環(huán)境的需要，同時(shí)，將會(huì)加快并完善機(jī)器人由地面運(yùn)動(dòng)向水下運(yùn)動(dòng)的研究。結(jié)合生物蛇的其他運(yùn)動(dòng)能力，直立、攻擊等運(yùn)動(dòng)的研究也會(huì)逐漸走進(jìn)視線。

在結(jié)構(gòu)方面，在研究小型化伺服電機(jī)的基礎(chǔ)上，蛇形機(jī)器人的軀干單元將會(huì)得到進(jìn)一步的改進(jìn)，并能夠提高機(jī)器人的柔性和靈活性。隨著變形結(jié)構(gòu)、分體結(jié)構(gòu)應(yīng)用，蛇形機(jī)器人對(duì)復(fù)雜、危險(xiǎn)環(huán)境的適應(yīng)能力和生存能力將會(huì)大幅度提高。

在感知功能方面，全織物皮膚的研制為感知能力的探索開(kāi)起了先河，視覺(jué)識(shí)別、視覺(jué)測(cè)距、氣體識(shí)別、輻射探測(cè)等功能均將得到重點(diǎn)研究，而且，根據(jù)不同傳感器的應(yīng)用特點(diǎn)，不同種類(lèi)的感知皮膚會(huì)應(yīng)運(yùn)而生，具有感知能力的蛇形機(jī)器人將會(huì)在機(jī)器人領(lǐng)域如雨后春筍般地涌現(xiàn)在智能舞臺(tái)上。

在工程實(shí)現(xiàn)方面，自給供電將便于蛇形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，并有助于工作人員攜帶。這將會(huì)推進(jìn)對(duì)于高性能小型化電池發(fā)展的研究步伐，有望解決小型機(jī)器人長(zhǎng)航時(shí)的能源供給問(wèn)題。隨著蛇形機(jī)器人多功能高集成化發(fā)展，大數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸技術(shù)將會(huì)促進(jìn)控制系統(tǒng)軟件、硬件向人機(jī)交互多智能系統(tǒng)發(fā)展，相信未來(lái)的蛇形機(jī)器人能夠勝任復(fù)雜、惡劣、危險(xiǎn)環(huán)境的工作要求。

[1]Gray J. The Mechanism of Locomotion in Snakes[J]. Journal of Experimental Biology,1946, 23(2): 101-124.

[2]郁樹(shù)梅, 馬書(shū)根, 李斌, 等. 蛇形機(jī)器人步態(tài)產(chǎn)生及步態(tài)分析[J]. 機(jī)器人, 2011, 33(3):371-378.

Yu Shumei, Ma Shugen, Li Bi, et al. Gait Generation and Analysis for Snake-like Robots[J]. Robot, 2011,33(3):371-378.

[3]Hirose S. Biologically Inspired Robots (Snake-like Locomotors and Manipulators)[M]. Oxford:Oxford University Press, 1993.

[4]Ma S. Analysis of Snake Movement Forms for Realization of Snake-like Robots[C]//Proceedings of the 1999 IEEE, International Conference on Robotics& Automation.Detroit, Michigan, 1999: 3007-3013.

[5]Yamada H, Hirose S. Study on the 3D Shape of Active Cord Mechanism[C]//Proceeding of the 2006 IEEE International Conference on Robotics and Automation.Orlando, Florida, 2006:2890-2895.

[6]Burdick J W, Radford J, Chirikjian G S. A Sidewinding Locomotion Gait for Hyper-Redundant Robots[C]//IEEE International Conference on Robotics and Automation.Atlanta, GA, 1993:3007-3013.

[7]孫洪, 劉立祥, 馬培蓀. 攀爬蛇形機(jī)器人爬樹(shù)的靜態(tài)機(jī)理研究[J]. 機(jī)器人, 2008, 30(2): 112-122.

Su Hong, Liu Lixiang, Ma Peisun. On the Tree-Climbing Static Mechanism of a Snake Robot Climbing Trees[J]. Robot, 2008, 30(2):112-122.

[8]Yamada H, Hirose S. Approximations to Continuous Curves of Active Cord Mechanism Made of Arc-shaped Joints or Double Joints[C]//2010 IEEE International Conference on Robotics and Automation.Anchorage, Alaska, 2010: 703-708.

[9]Hu D, Nirody J, Scott T, et al. The Mechanics of Slithering Locomotion[J]. PNAS, 2009, 106(25): 10081-10085.

[10]Kelly S, Murray R. Geometric Phases and Robotic Locomotion[J]. Journal of Robotic Systems, 1995, 12(6): 417-431.

[11]Ostrowski J, Burdick J. The Geometric Mechanics of Undulatory Robotic Locomotion[J].The International Journal of Robotics Research, 1998, 17(7): 683-701.

[12]Nilsson M. Serpentine Locomotion on Surfaces with Uniform Friction[C]//Proceedings of 2004 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems.Sendal, Japan, 2004:1751-1755.

[13]Shapiro A, Greenfield A, Choset H. Frictional Compliance Model Development and Experiments for Snake Robot Climbing[C]//2007 IEEE International Conference on Robotics and Automation.Roma, Italy, 2007:574-579.

[14]Liljeback P, Pettersen K, Stavdahl φ. Modelling and Control of Obstacle-Aided Snake Robot Locomotion Based on Jam Resolution[C]//2009 IEEE International Conference on Robotics and Automation.Kobe, Japan, 2009:3807-3814.

[15]Rincon D, Sotelo J. Dynamic and Experimental Analysis for Inchwormlike Biomimetic Robots[J]. IEEE Robotics& Automation Magazine, 2003: 53-57.

[16]Ma S, Tadokopo N. Analysis of Creeping Locomotion of a Snake-like Robot on a Slope[J]. Autonomous Robots, 2006, 20:15-23.

[17]李斌, 盧振利. 基于樂(lè)理的蛇形機(jī)器人控制方法研究[J]. 機(jī)器人, 2005, 27(1): 14-19.

Li Bin, Lu Zhenli. Control Method of a Snake-like Robot Based on Music Theory[J]. Robot, 2005, 27(1):13-19.

[18]張佳帆, 楊燦軍, 陳鷹, 等. 蠕動(dòng)式機(jī)器蛇的研究與開(kāi)發(fā)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2005, 41(5):205-209.

Zhang Jiafan, Yang Canjun, Chen Ying, et al. Study and Develop of Snake-Robot with Concerpina-Locomotion[J]. Chese Journal of Mechanical Engineering, 2005, 41(5):2005-209.

[19]孫洪, 馬培蓀, 王光榮. 蛇形機(jī)器人一種基于Serpenoid 曲線的蠕動(dòng)步態(tài)[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與研究, 2008, 24(1):39-50.

Sun Hong, Ma Peisun, Wang Guangrong. An Inchworm Locomotion Gait Based on Serpenoid Curve for Snakelike Robot[J]. Machine Design and Research, 2008, 24(1):39-50.

[20]Chirikjian G. The Kinematics of Hyper-Redundant Robot Locomotion[J]. IEEE Transactions on Robotics and Automation, 1995, 11(6):781-793.

[21]Hatton R, Choset H. Sidewinding on Slopes[C]//2010 IEEE International Conference on Robotics and Automation.Anchorage, Alaska, 2010:691-696.

[22]Gong C, Hatton R, Choset H. Conical Sidewinding[C]//IEEE International Conference on Robotics and Automation.Saint Paul, Minnesota, 2012: 4222-4227.

[23]孫洪. 攀爬蛇形機(jī)器人的研究[D]. 上海: 上海交通大學(xué), 2007.

[24]Date H, Hoshi Y, Sampei M. Locomotion Control of a Snake-like Robot Baesed on Dynamic Manipulability[C]//Proceedings of the 2000 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems.Takamatsu, 2000: 2236-2241.

[25]Prautsch P, Mita T. Control and Analysis of the Gait of Snake Robots[C]//Proceedings of the 1999 IEEE International Conference on Control Applications.Kohala Coast, HI, 1999: 502-507.

[26]Matsuno F, Sato H. Trajectory Tracking Control of Snake Robots Based on Dynamic Mode[C]//Proceedings of the 2005 IEEE International Conference on Robotics and Automation.Barcelona, Spain, 2005: 3029-3034.

[27]Li J, Shan J. Passivity Control of Underactuated Snake-like Robots[C]//Proceedings of the 7th World Congress on Intelligent Control and Automation.Chongqing, China, 2008: 485-490.

[28]Liljeback P, Pettersen K, Stavdahl φ. Controllability and Stability Analysis of Planar Snake Robot Locomotion[J]. IEEE Transactions on Automatic Control, 2011, 56(6): 1365-1380.

[29]Ma S, Ohmameuda Y, Inoue K, et al. Control of a 3-Dimensional Snake-like Robot[C]//Proceedings of the 2003 IEEE International conference on Robotics and Automation.Taipei, Taiwan, China,2003: 2067-2072.

[30]陳麗, 王越超, 馬書(shū)根, 等. 蛇形機(jī)器人側(cè)向運(yùn)動(dòng)的研究[J]. 機(jī)器人, 2003, 25(3):246-249.

Chen Li, Wang Chaoyue, Ma Shugen, et al.Study of Lateral Locomotion of Snake Robot[J]. Robot, 2003, 25(3): 246-249.

[31]魏武, 孫洪超. 蛇形機(jī)器人橋梁纜索攀爬步態(tài)控制研究[J]. 中國(guó)機(jī)械工程, 2012, 23(10): 1230-1236.

Wei Wu, Sun Hongchao. Research on Gait Generation and Control of Snake-like Robot for Bridge Cable Climbing[J]. China Mechanical Engineering, 2012, 23(10): 1230-1236.

[32]盧振利, 馬書(shū)根, 李斌, 等. 基于循環(huán)抑制CPG模型的蛇形機(jī)器人控制器[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2006, 42(5): 137-143.

Lu Zhenli, Ma Shugen, Li Bin, et al. Snake-like Robot Controller with Cyclic Inhibitory CPG Model[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2006, 42(5): 137-143.

[33]盧振利, 馬書(shū)根, 李斌, 等. 基于循環(huán)抑制CPG模型的蛇形機(jī)器人蜿蜒運(yùn)動(dòng)[J]. 自動(dòng)化學(xué)報(bào), 2006, 32(1): 132-139.

Lu Zhenli, Ma Shugen, Li Bin, et al. Serpentine Locomotion of a Snake-like Robot Controlled by Cyclic Inhibitory CPG Model[J]. ACTA Automatica Sinica, 2006, 32(1): 132-139.

[34]盧振利, 馬書(shū)根, 李斌,等. 基于循環(huán)抑制CPG模型的蛇形機(jī)器人三維運(yùn)動(dòng)[J]. 自動(dòng)化學(xué)報(bào), 2007, 33(1): 54-58.

Lu Zhenli, Ma Shugen, Li Bin, et al. 3-dimensional Locomotion of a Snake-like Robot Controlled by Cyclic Inhibitory CPG Model[J]. ACTA Automatica Sinica, 2006, 32(1): 132-139.

[35]王智鋒, 馬書(shū)根, 李斌, 等. 基于能量的蛇形機(jī)器人蜿蜒運(yùn)動(dòng)控制方法的仿真和實(shí)驗(yàn)研究[J]. 自動(dòng)化學(xué)報(bào), 2011, 37(5): 604-613.

Wang Zhifeng, Ma Shugen, Li Bin, et al. Simulation and Experimental Study of an Energy-based Control Method for the Serpentine Locomotion of a Snake-like Robot[J]. ACTA Automatica Sinica, 2011, 37(5): 604-613.

[36]Wu X. Ma S. CPG-based Control of Serpentine Locomotion of a Snake-like Robot[J]. Mechatronics, 2010,20:326-334.

[37]Mori M, Hirose S. Three-dimensional Serpentine Motion and Lateral Rolling by Active Cord Mechanism ACM-R3[C]//Proceedings of the 2002 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems.Lausanne, Switzerland, 2002:829-834.

[38]Takaoka S, Yamada H, Hirose S. R4:2011Snake-like Active Wheel Robot ACM-R4.1 with Joint Torque Sensor and Limiter[C]//2011 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems.San Francisco, 2011: 1081-1086.

[39]Yamada H, Hirose S. Study of a 2-DOF Joint for the Small Active Cord Mechanism[C]//2009 IEEE International Conference on Robotics and Automation.Kobe, Japan, 2009:3827-3832.

[40]Worst R, Linnemann R. Construction and Operation of a Snake-like Robot[C]//IEEE International Joint Symposia on Intelligence and Systems.Rockville, MD, 1996: 164-169.

[41]Klaassen B, Paap K. GMD-Snake2: A Snake-Like Robot Driven by Wheels and a Method for Motion Control[C]//Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation.Detroit, MI, 1999: 3014-3019.

[42]Borenstein J, Borrell A. The OmniTread OT-4 Serpentine Robot[C]//2008 IEEE International Conference on Robotics and Automation.Pasadena,CA,2008:1766-1767.

[43]Gavin M. S5 Snake Robot Prototype[EB/OL]. 1999[2014-05-10]. http://www.snakerobots.com/

[44]Wright C, Buchan A, Brown B, et al. Design and Architecture of the Unified Modular Snake Robot[C]//2012 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA).Saint Paul, MN, 2012:4347-4354.

[45]Wright C, Johnson A, Peck A, et al. Design of a Modular Snake Robot[C]//Proceedings of the 2007 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems.San Diego, CA, 2007:2609-2614.

[46]McKenna J, Anhalt D, Frederick Bronson et al. Toroidal Skin Drive for Snake Robot Locomotion[C]//2008 IEEE International Conference on Robotics and Automation.Pasadena,CA, 2008:1150-1155.

[47]Liljeback P,Stavdahl φ, Beitnes A. Snake Fighter-Development of a Water Hydraulic Fire Fighting Snake Robot[C]//The 9th International Conference on Control, Automation, Robotics and Vision.Singapore,2006:1-6.

[48]PhysOrg.com. Robots, the Bizarre and the Beautiful[EB/OL]. (2009-09-29)[2014-05-10]. http://phys.org/news141921497.html.

[49]Transeth A, Liljeback P, Pettersen K. Snake Robot Obstacle Aided Locomotion: An Experimental Validation of a Non-smooth Modeling Approach[C]//Proceedings of the 2007 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems.San Diego, CA, 2007:2582-2589.

[50]Liljeback P, Pettersen K, Stavdahl φ. A Snake Robot with a Contact Force Measurement System for Obstacle-aided Locomotion[C]//2010 IEEE International Conference on Robotics and Automation.Anchorage, Alaska, 2010:683-690.

[51]葉長(zhǎng)龍, 馬書(shū)根, 李斌, 等. 三維蛇形機(jī)器人巡視者Ⅱ的開(kāi)發(fā)[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2009, 45(5): 128-133.

Ye Changlong, Ma Shugen, Li Bin, et al. Development of a Three Dimensional Snake-like Robot Rerambulator Ⅱ[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2009, 45(5): 128-133.

[52]郁樹(shù)梅, 王明輝, 馬書(shū)根, 等. 水陸兩棲蛇形機(jī)器人的研制及其陸地和水下步態(tài)[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2012, 48(9): 18-25.

Yu Shumei, Wang Minghui, Ma Shugen, et al. Development of an Amphibious Snake-like Robot and Its Gait on Ground and in Water[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2012, 48(9): 18-25.

[53]孫洪, 劉立祥, 馬培蓀. 一種新型的攀爬蛇形機(jī)器人[J]. 傳動(dòng)技術(shù), 2008, 22(3):34-48.

Sun Hong, Liu Lixiang, Ma Peisun. A New Type Climbing Snake Robot[J]. Drive system Technique, 2008, 22(3):34-48.

[54]吉愛(ài)紅, 戴振東, 周來(lái)水. 仿生機(jī)器人的研究進(jìn)展[J]. 機(jī)器人, 2005, 27(3):284-288.

Ji Aihong, Dai Zhendong, Zhou Laishui. Research Development of Bio-inspired Robotics[J]. Robot, 2005, 27(3):284-288.

(編輯郭偉)

Present Situation and Development Tendency of Snake-like Robots

Su Zhong1,2Zhang Shuangbiao2Li Xingcheng2

1.Beijing Information Science & Technology University,Beijing,100101 2.Beijing Institute of Technology,Beijing,100081

A literature survey of researches on snake-likes was provided regarding morphology, modeling of kinematics and dynamics, locomotion control and stability. The analyses and summary were made according to the two-dimensional and three-dimensional locomotions. Classifications of snake-like robots were presented due to the differences of structures and movement types. Finally, the development of snake-like robots in future was predicted.

locomotion; kinematics; dynamics; control method; stability

2014-02-11

國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)及香港研究資助局聯(lián)合科研基金資助項(xiàng)目(61261160497)；北京市科技計(jì)劃項(xiàng)目(Z121100001612007)；北京市教委創(chuàng)新能力提升計(jì)劃項(xiàng)目(PXM2013_014224_000093)

TP242DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.03.022

蘇中，男，1962年生。北京信息科技大學(xué)通信學(xué)院院長(zhǎng)、教授，北京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院博士研究生導(dǎo)師，高動(dòng)態(tài)導(dǎo)航技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任。張雙彪(通信作者)，男，1984年生。北京理工大學(xué)宇航學(xué)院博士研究生。李興城，男，1969年生。北京理工大學(xué)宇航學(xué)院副研究員。