探讨仿蛇机器人的发展与应用

1.国外仿蛇机器人的研究现状

国外对于仿蛇机器人的研制进行得较早，且已取得显著成果。1972年，日本东京工业大学Hirose教授率领的团队成功研制出第一台仿蛇机器人（名为ACM，见图1-9）。该机器人由20个关节构成，身长2 m，重量28 kg，可以实现平面内的螺旋运动。它利用躯干上每个关节的相互转动，使得整体按照特定曲线形式发生弯曲变化，产生向前的驱动力；同时在每节单元下装有两个从动轮，减少与地面的摩擦；通过从动轮获得不同的径向摩擦力和轴向摩擦力来实现机器人整体在地面上滑行，滑行的曲线为一条螺旋曲线，其速度可达40 cm/s。

此后，Hirose教授及其团队又研制出了仿蛇机器人ACM-R3（见图1-10）。该机器人由20个两两正交的体节组成，身长1.8 m，重达12 kg，每个关节自带电源，采用完全无线控制的方式。ACM-R3的机械结构比较简单，体节上也安装着从动轮，通过每个关节的运动提供仿蛇机器人运动所需要的摩擦力，并可以实现直接单元驱动、侧面滚动、螺旋运动、S曲线等各类运动形式，其最大的特点在于可以实现空间内的三维运动和各类复杂的动作。

图1-9　ACM仿蛇机器人

图1-10　ACM-R3仿蛇机器人

2005年在日本的爱知世博会上，Hirose及其团队又公布了一款仿蛇机器人ACM-RS5，该机器人共有9个体节，身长1.6 m，重量6.5 kg，它是世界上第一台水陆两栖仿蛇机器人（图1-11）。ACM-RS5每个模块内装有两个驱动器，每个关节专门设计了一对驱动伺服电机，通过齿轮系传动原理使其中一个电机控制关节偏航运动，另一个控制关节俯仰运动，并在关节处进行防水处理。因此，ACM-RS5既可实现陆地上的蜿蜒、翻滚和侧向运动，又可实现水下的自由游动，其游动速度不小于0.9 m/min。在机器人的头部装有一个摄像头，凭借自身的无线传输功能，可以将摄像头采集到的数据传输给上位机，以便进行数据处理。该机器人可通过尾部的电源接口实现有线供电，当进行水下作业时，也可通过自身携带的聚合物锂电池进行自主供电。

图1-11　ACM-RS5仿蛇机器人

图1-12　ACM-S1仿蛇机器人

图1-13　Slim Slime robot

图1-14　Souryu-IV

其后，Hirose率领团队又研制了ACM-S1、Slim Slime robot、Souryu-IV等各类仿蛇机器人，其中ACM-S1（见图1-12）只有3个关节，长0.9 m，重3.7 kg，其内部使用了弹性杆驱动结构，通过三个绕轴均匀分布的螺旋杆共同控制各个单元的前进、扭转、旋转。Slim Slime robot（见图1-13）由气动控制，共有6个关节，长1.12 m，重12 kg，关节内均匀分布三个波纹管，可以通过填充压缩空气使其伸长或缩短，以达到关节运动的效果；Souryu-IV（见图1-14）是用于地震救援的，该机器人只有两个关节，长1.12 m，重11.9 kg，主要特点是采用了履带作为驱动装置，运动能力强，可以很好地转向和翻越障碍物。该团队最新研制开发出的仿蛇机器人为ACM R7，该机器人的特点是可以将自身弯曲成一个环状，然后像轮子一样在草地上滚动[8]。

1995年，日本NEC公司的Takanash研制出了一条由刚性体关节（万向节）构成的仿蛇机器人（见图1-15（a）），长1.4 m，直径42 mm，重4.6 kg，它的每个关节均是一个细圆柱，可绕相邻单体做360°的球面旋转，因而能够实现三维空间运动[9]。该机器人一共具有6个管状的连杆，并在身体两侧装了一些微型的金属托架以增加身体的稳定，它所使用的万向节与人们平时所用的十字万向节不同，无论输出轴和输入轴成何角度，其总能保持1∶1的传动比。它被认为是在结构方面设计得最好的仿蛇机器人，但加工精度要求较高[10]。由于刚性体连杆结构使其不能逼真模仿生物蛇的运动，其运动特性还不够理想。它主要应用于在危险情况下探查和在倒塌的建筑物中施行救援工作。

2017年6月，日本东北大学发布了一款可以通过喷射空气抬高配备摄像头、穿越较高障碍物，并在废墟内部自由展开搜索的仿蛇机器人，其身体呈软管状，直径约5 cm，全长约8 m，重约3 kg，如图1-15（b）所示[11]。该机器人采用了大量软性材料，混合了多种动力，穿越障碍物能力极强，通过前端部分向下喷射空气可使其头部抬高至最高30 cm，除了可以越过有高低差异的地方，也可以对更广阔的范围进行观察。由于机器人身体直径很小，地震灾害中倒塌的废墟也能顺着孔洞钻进去，堪称救援领域的神器。

图1-15　日本其他的仿蛇机器人

（a）日本NEC公司研制的仿蛇机器人；（b）日本东北大学研制的仿蛇机器人

20世纪末，德国国家信息技术研究中心先后研制出了基于模块式结构和CAN总线的仿蛇机器人GMD-Snake（见图1-16）。

图1-16　德国GMD-Snake仿蛇机器人

（a）GMD-Snake1；（b）GMD-Snake2

GMD-Snake1直径约为20 cm，主体结构为三维关节，每个关节装有3个电动机、6个力矩传感器、6个红外传感器；头部带有用于探测障碍物的压力传感器和照明用的LED灯，各个关节装有检测角度的弹簧触点装置，以及用于控制水平和垂直方向的驱动电机。该机器人具有速度及位置闭环，能翻越简单障碍，其优点是在各个方向都能灵活运动，缺点是结构显得相当复杂，抬起时由于重力作用，关节将可能产生失控的扭动。基于GMD-Snake1的前期研究成果，GMD-Snake2的头部装有一个用于图像识别的摄像头，每节躯干单元的壳体都由圆柱形铝材制成，其关节与GMD-Snake1相同，通过两个电动机连接而成的万向节实现运动驱动，在壳体外侧安装一对小从动轮，可显著改善运动效果。

美国密歇根大学研制的OmniTread OT-4和OmniTread OT-8仿蛇机器人具有独特的结构（见图1-17）。其中，OmniTread OT-4是由7节躯干单元组成，每个单元具有不同的功能，具体情况如下：单元1为有效载荷单元，单元2和单元6为空气压缩器，单元3和单元5为能源单元，单元4为驱动单元；在每个躯干单元外与地面接触的平面上分别装有一对履带，以保证机器人发生机体翻覆时仍然具有足够的爬行能力；躯干单元之间采用二自由度的气动关节，利用气动驱动关节可实现机器人的俯仰和偏航运动。OmniTread OT-4利用两块并联的7.4 V\730 mAh的聚合物锂电池作为驱动电源，安装在驱动电机两侧。OmniTread OT-8与OmniTread OT-4的不同之处在于它可实现无线操控，而OmniTread OT-4则需要有线操控。Omni-Tread系列机器人采用脊柱结构，具有很强的翻越能力，能够适应丛林、戈壁、管道等崎岖环境。

美国学者Uavin Miller带领团队研制了S系列的仿蛇机器人，其中，S5仿蛇机器人（见图1-18（a））由64个伺服电机和8个伺服控制躯干单元组成，并由自身携带的42块聚合物锂电池进行供电。S5躯干关节数量大、长径比小，所以在平面上进行蜿蜒运动时具有极为逼真的仿生效果。为实现距离检测、运动测量、图像采集、多向转动等功能，Uavin Miller为最新款的S7仿蛇机器人（见图1-18（b））集成了多种传感器，其运动功能得到进一步增强。

图1-17　美国密歇根大学研制的OmniTread机器人

（a）OmniTread OT-4；（b）OmniTread OT-8

(www.xing528.com)

图1-18　美国Uavin Miller团队开发的仿蛇机器人

（a）S5仿蛇机器人；（b）S7仿蛇机器人

美国卡内基梅隆大学的Biorobotics Laboratory实验室对仿蛇机器人有着长期的研究，其研究不但十分系统，而且非常深入，已经研究出了四款具有代表性的仿蛇机器人，是研究仿蛇机器人极具先进性的团队之一。Uncle Sam是该实验室研制的一种可重构的仿蛇机器人（见图1-19（a）），全长为94 cm，直径为5.1 cm。设计时，充分考虑了尺寸、功耗和速度等因素对机器人步态控制的影响，因而该机器人具有结构节奏、运动灵活等特点，但其需要有线控制和外接电源。组成该机器人的每个模块均装有一个伺服电机，通过减速结构实现驱动杆的动力输出，驱动杆与连接杆正交设计，将两个模块进行连接后，水平方向的驱动杆可以实现偏航运动，垂直方向的驱动杆可以实现俯仰运动。这种模块化的仿蛇机器人采用螺旋步态实现向前爬行，具有很强的翻越能力。根据仿蛇机器人攀爬方式的不同，可分为内攀爬式和外攀爬式两种，二者均以自身和外部环境的摩擦作为力学约束条件，通过身体的运动，实现沿壁或杆（柱）体爬行。另外，卡耐基梅隆大学还研制了一种经皮肤驱动的仿蛇机器人TSDS（见图1-19（b））。TSDS有两套驱动方式：一是经由皮肤驱动，它的皮肤遍布机器人外表和内部，构成一个循环，驱动单元带动皮肤向后收缩而使机器人向前爬行，这套皮肤驱动主要使机器人向前运动；二是采用角执行器驱动，它可以提供机器人的转向动力和控制机器人的姿态。TSDS在实验中有很好的运动表现，速度能达到0.26 m/s，能完成过间隙、穿过灌木丛、爬楼梯、穿洞穴、爬越垂直障碍等复杂动作。

图1-19　美国卡耐基梅隆大学研制的仿蛇机器人

（a）Uncle Sam仿蛇机器人；（b）TSDS仿蛇机器人

挪威科技大学研发了一种用于火灾扑救的仿蛇机器人Anna Konda，该机器人体型较大，身长达到3 m，总质量为75 kg，躯干采用金属材料加工制成，由20个液压马达驱动。其头部带有两个灭火剂喷嘴，当火灾发生时，可对准火源进行扑救。后来，为深入研究仿蛇机器人辅助越障的运动步态，挪威科技大学又研制了名为Aiko（见图1-20（a））和Kullo的仿蛇机器人（见图1-20（b）），尽管二者均为无轮式的机器人，但都可以实现多步态运动。Aiko身长1.5 m，总质量为7 kg，比起其前辈Anna Konda来说，体型娇小玲珑得多了。它采用直流电机驱动，需外接电源供电，未携带任何传感器。Kullo由10节躯干单元组成，每个单元均装有压力传感器，可感知机器人自身与外界的作用力。Kullo是用一个球形壳体来封装每个关节模块，保证每个关节模块具有光滑的外表面，每个半球形的壳厚为1.5 mm，外径140 mm，单个质量约0.042 kg，球壳材质为塑料，在每个球形壳体周围安装力传感器实现接触力的实时感知。该机器人是第一个可以测量沿其身体作用的外力大小的仿蛇机器人。同时，每个躯干单元包裹着一个环形和两个半环形的金属框架，通过两个输出轴为正交安装的伺服电机，以及齿轮系的传动装置，可实现水平方向的框架发生俯仰运动，铅垂方向的框架发生偏航运动。

图1-20　挪威科技大学研制的仿蛇机器人

（a）Aiko仿蛇机器人；（b）Kullo仿蛇机器人

David Zarrouk等人研制了一个单驱动器的仿蛇机器人SAW（Single Actuator Wave-like robot，如图1-21所示），该机器人最大的特点是只用一个电机就可以驱动整个仿蛇机器人进行蛇形运动，其结构设计十分巧妙，可将空间螺旋运动转换成平面波动。在实验中，该机器人不仅可以在平地上运动，还可以沿两垂直墙壁攀爬，运动特性非常优秀。

图1-21　单驱动器仿蛇机器人

2.国内仿蛇机器人的研究现状

我国对仿蛇机器人结构和控制的研究稍晚于国外，但研发脚步逐渐赶上国外的先进水平，由跟跑、并跑，到领跑，近年来取得了可喜成果。

1999年，以上海交通大学为首的研究团队研制出我国第一台仿蛇机器人，其结构虽然简单，但是能实现在二维平面上的移动。目前，该团队的研究对象主要是仿蛇攀爬机器人，比较成熟的是CSR仿蛇机器人（见图1-22）。该机器人全长约1.5 m，总质量约2.7 kg，由15个具有俯仰和滚转功能的躯干单元组成，外面包裹着一层能增大接触力的胶带。与其他类型机器人不同，该机器人的躯干单元两端可实现绕径向转动，躯体中间可绕轴向转动，改变径向转动的角度，从而实现绕柱体的攀爬。

图1-22　上海交大研制的CSR仿蛇机器人

图1-23　国防科大研制的仿蛇机器人

2001年11月，我国国防科技大学研制的第一条仿蛇机器人（简称NUDT SR，见图1-23）问世，其总长为1.2 m，总质量为1.8 kg。该机器人能像蛇一样扭动身躯，在地上或草丛中自主地蜿蜒运动，可前进、后退、拐弯和加速，最大运动速度可达20 m/min。控制中心位于机器人的头部，安装有视频监视器，在机器人运动过程中可将前方景象实时传输到后方的电脑中，科研人员可根据实时传输的图像观察仿蛇机器人运动前方的情景，并向其发出各种遥控指令。另外，该机器人披上“蛇皮”外衣后，还能像蛇一样在水中游泳。它的执行单元仿制了日本Hirose的仿蛇机器人结构，在身体下端装有从动轮，可减小身体与地面之间的摩擦。由于其执行单元采用平行连接方式（电机轴线相互平行），因此只能完成平面内的螺旋运动，无法进行更复杂的空间运动。

中国科学院沈阳自动化研究所以马书根为核心的机器人研发团队，通过与日本有关方面合作，共同研制出具有代表性的仿蛇机器人巡视者Ⅱ和探查者Ⅲ，分别如图1-24（a）和图1-24（b）所示。巡视者Ⅱ由金属材质制成的躯干单元组成，全长约为1.2 m，总质量为8 kg，单元之间通过特有的万向节连接，能够实现俯仰、偏航和滚转的三轴转动，每节躯干单元周围装有“体轮”，可减小运动阻力，提高运动效率，其头部装有视觉传感器，用来辅助运动控制。此外，该机器人可自身携带电源，也可实现无线操控。探查者Ⅲ是基于对巡视者Ⅱ的优化而开发的，它可实现在水陆两栖复杂环境中的运动，共由9节躯干单元组成，总长1.17 m，总质量6.75 kg。为适应水下环境，在躯干单元的径向，每间隔45°安装一个带有从动轮的桨，而取代了“体轮”，并且在单元之间增加了防水密封装置。单元内采用两个伺服电机驱动，通过齿轮系传动实现俯仰和偏航运动，当左右齿轮同向运动时，产生俯仰运动，当左右齿轮发生相反方向运动时，产生偏航运动。

图1-24　中国科学院沈阳自动化研究所研制的仿蛇机器人

（a）巡视者Ⅱ；（b）探查者Ⅲ

图1-25　北京信息科技大学研制的仿蛇机器

北京信息科技大学研制了一种新型的仿蛇机器人——中国龙（见图1-25），该机器人全长约1.2 m，总质量约2.6 kg。该机器人由9个躯干单元和头、尾关节构成，躯干单元中有一节为分体单元。

该机器人躯干单元内部装有控制系统和聚合物锂电池组，而分体单元内部装有一个伺服电机。单元之间通过伺服电机连接，水平方向安装的电机实现机器人的俯仰运动，垂直方向安装的电机实现机器人的偏航转动。躯干单元间装有一对从动轮，从动轮与单元之间通过伺服电机连接，实现自身变形。该机器人还将地图创建（SLAM）技术、粒子滤波方法和激光测距仪很好地结合起来，准确地创建出周围环境的电子地图，实现了移动搜救机器人在可变环境中的精准定位。研制者们还在该机器人身上应用了复合织物电子皮肤技术，利用聚苯胺的导电机理进行仿蛇机器人表面复合织物的工艺合成，实现了机器人对复杂环境的直接感知。因此，这款“中国龙”机器人不但具有多种运动步态，而且能够利用自身穿戴带有温湿度、气体、压力等传感器的全织物皮肤，感知外界环境变化，并能采用分体、变形方式调整自身参数，以适应复杂恶劣的环境。

华南理工大学某研究团队利用仿蛇机器人进行了桥梁缆索的检测，其研制的仿蛇机器人如图1-26所示。该机器人结构紧凑、步态稳定，可完成攀爬运动，弥补了过去缆索检测机器人十分笨重、不易携带、难以实现缆索间的翻越等不足。该机器人已在国内一些大桥的检修工作中得到了实际运用。

图1-26　华南理工大学研制的仿蛇机器人