蛇形机器人的国内外研究

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。 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。 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，目前正在努力改进。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 Liljeb?ck 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。 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，国防科技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。