蘇　中　張雙彪　李興城

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

蛇形機器人的研究與發(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，北京，1001012.北京理工大學，北京，100081

對國內(nèi)外蛇形機器人進行了研究和分析，將其分為形態(tài)研究、運動學和動力學模型、步態(tài)控制及穩(wěn)定性等研究內(nèi)容，從二維運動和三維運動角度，對研究內(nèi)容進行了綜述、分析和總結(jié)。結(jié)合蛇形機器人的結(jié)構(gòu)和運動步態(tài)特點，對國內(nèi)外研制的蛇形機器人進行了分類，最后對蛇形機器人的研究發(fā)展進行了展望。

運動步態(tài)；運動學；動力學；控制方法；穩(wěn)定性

0　引言

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

除軍事應用外，蛇形機器人還具有較廣的民用前景，如地震和火災現(xiàn)場搜救、井下毒體檢測、管道檢測、核電站輻射檢查、橋墩侵蝕檢查等，在人員不便進入或難于進入的高危險領域，均可利用低成本的蛇形機器人代替操作人員，妥善地完成指派任務。結(jié)合這些優(yōu)點和用途，近年來對于蛇形機器人的研究，得到國內(nèi)外學者的廣泛關注。

本文首先介紹生物蛇的基本步態(tài)，然后有針對性地研究了國內(nèi)外蛇形機器人的研究成果，從形態(tài)研究、運動學模型和動力學模型、步態(tài)控制及穩(wěn)定性分析等方面對理論研究進行綜述，對已研制的蛇形機器人進行分類，并且對其研究現(xiàn)狀和問題點進行分析，最后對蛇形機器人研究進行總結(jié)和展望。

1　生物蛇的運動形式

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

2　蛇形機器人的理論研究狀況

基于Gray對生物蛇運動步態(tài)產(chǎn)生機理的研究，在20世紀70年代，東京工業(yè)大學率先開始研究仿生蛇的運動步態(tài)，從此開啟了智能機器人領域的又一扇大門——蛇形機器人。隨后美國、挪威、中國等多個國家的研究者們紛紛加入到蛇形機器人的科研行列，逐漸開展由淺入深的研究。

蛇形機器人的理論研究是工程實驗研究之基礎，綜合國內(nèi)外對于蛇形機器人的研究成果，主要包括形態(tài)研究、運動學和動力學模型、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，生物蛇所具有的運動步態(tài)是無足脊椎動物行走步態(tài)的典范。國內(nèi)外學者通常將擬定的形態(tài)曲線作為理想的運動曲線，控制蛇形機器人的運動曲線向理想形態(tài)曲線逼近，逼近的形態(tài)曲線越流暢自然，越貼近實際，仿生爬行效率越高。在研究蛇形機器人運動步態(tài)時，采用不同的形態(tài)曲線具有不盡相同的爬行效果。為建立合理的運動形態(tài)，國內(nèi)外展開了研究，并取得了一些成果。

蜿蜒運動是目前國內(nèi)外研究最多的一種二維步態(tài)，所具有的側(cè)向波傳遞過程，與正弦曲線變化相似，相位和波動幅值隨著時間發(fā)生變換。Clothoid曲線是通過對兩個具有半周期的Cornu螺旋線聯(lián)合而成的，可作為蜿蜒運動逼近，但兩個螺旋線在連接點處并不連續(xù)，存在奇異點問題[3]。Hirose[3]通過對生物蛇運動的實驗和觀察，提出了用于逼近蜿蜒運動的Serpenoid曲線，并與正弦曲線和Clothoid曲線進行實驗對比及分析，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，從運動效率角度證明了該曲線比Serpenoid曲線具有更好的模擬效果。

當生物蛇沿桿向上攀爬或側(cè)移運動時，運動形態(tài)體現(xiàn)為三維螺旋曲線，為準確描述該曲線， Yamada等[5]采用Frenet-Serret方程，建立運動外形的三維曲線模型，Burdick等[6]通過分析側(cè)移運動過程，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動曲線，孫洪等[7]針對無輪結(jié)構(gòu)的蛇形機器人，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運動學模型和動力學模型

運動學模型和動力學模型是蛇形機器人的控制基礎?；谇叭藢ι锷咝螒B(tài)曲線的初步探索，為深入研究蛇形機器人步態(tài)，運動學模型和動力學模型成為該領域的研究重點。根據(jù)蛇形機器人的運動步態(tài)特點，可以將運動學模型和動力學模型分為二維步態(tài)和三維步態(tài)兩種。

2.2.1二維步態(tài)

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

蜿蜒運動作為具有高效率的運動步態(tài)，成為學者們對二維步態(tài)的主要研究對象。Hirose[3]對生物蛇運動過程進行了觀察和骨骼解剖分析，建立了連桿機構(gòu)作為蜿蜒步態(tài)的運動學模型，以及平面和坡面地形條件下動力學模型，從數(shù)學角度得出蜿蜒運動的產(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，位于蜿蜒曲線兩側(cè)波峰處的腹部會向上抬起，將此運動稱作Sinus-lifting。隨著對Sinus-lifting運動研究的不斷深入，Yamada等[8]提出了弧形結(jié)構(gòu)的蛇形關節(jié)，通過仿真和實驗進行初步驗證。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，對生物蛇進行了爬行實驗，進一步證明了蜿蜒運動的產(chǎn)生條件。Kelly等[10]、Ostrowski等[11]針對裝有三個從動輪的連桿型蛇形機器人，利用拉格朗日法建立了蜿蜒動力學模型，并進行了可控制性分析。Nilsson[12]通過對動力學模型的理論推導，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動的結(jié)論。Shapiro等[13]在Walton的摩擦力模型基礎上，建立了蛇形機器人內(nèi)攀爬方式的摩擦力表達式，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。為提高蛇形機器人對外界復雜環(huán)境的適應性，Liljeback等[14]分析了機器人自身與障礙物之間的位置關系，提出了平面運動的障礙輔助運動步態(tài)，建立了蛇形機器人的動力學模型。Rincon等[15]通過對四連桿蛇形機器人的蠕動步態(tài)分析，建立了運動學模型和動力學模型。

國內(nèi)對蛇形機器人二維步態(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動學模型、動力學模型，研究了坡面角度與摩擦力之間的關系，通過對無側(cè)滑條件下的運動步態(tài)進行仿真，確定了步態(tài)實現(xiàn)的優(yōu)化參數(shù)。李斌等[17]提出了基于樂理的步態(tài)控制方法，通過定義樂理符號、規(guī)則等，實現(xiàn)了蛇形機器人蜿蜒運動控制。張佳帆等[18]通過對生物蛇蠕動步態(tài)分析，建立了蠕動步態(tài)的運動學模型。孫洪等[19]受蜿蜒運動的啟發(fā)，在分析了蠕動步態(tài)的波形傳播機理基礎上，將Serpenoid曲線作為蠕動的驅(qū)動函數(shù)，并通過實驗驗證了可行性。

2.2.2三維步態(tài)

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

Chirikjian[20]從幾何角度定義了兩個螺旋線方向角，通過建立單位弧長的表達式，進而建立了全長度的螺旋側(cè)移運動的運動學模型，并通過計算機對側(cè)移和轉(zhuǎn)彎進行定性仿真。

Hatton等[21]分析了螺旋側(cè)移運動的特點，認為在坡面地形條件下，生物蛇的側(cè)移運動曲線為橢圓螺旋曲線，建立了身體和地面接觸點與橢圓之間的幾何關系式。Gong等[22]基于前人的研究基礎，提出了利用側(cè)移運動的錐形螺旋曲線，實現(xiàn)蛇形機器人繞固定點側(cè)移轉(zhuǎn)彎的方法。

為了讓蛇形機器人運動曲線平滑，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Sinus lifting運動進行仿真和實驗驗證，結(jié)果表明運動曲線平滑。

國內(nèi)對三維步態(tài)的動力學模型研究很少，孫洪[23]在研究攀爬型蛇形機器人時，提出三連桿蠕動方式，在理想情況下，建立了攀爬的數(shù)學模型。

二維運動學和動力學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。根據(jù)蛇形機器人的實際工作環(huán)境的復雜性，三維步態(tài)的運動學模型和動力學模型需要進一步研究。

2.3蛇形機器人的步態(tài)控制及穩(wěn)定性分析

對蛇形機器人的步態(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，采用開環(huán)控制即可實現(xiàn)蛇形機器人的步態(tài)運動，而為控制蛇形機器人運動智能地、高效率地運動，需要研究閉環(huán)的控制系統(tǒng)實現(xiàn)步態(tài)控制。

目前，關于蛇形機器人控制方法的研究很多，都是基于動力學模型，建立每個關節(jié)角數(shù)學關系式，從而設計步態(tài)控制器。Date等[24]在側(cè)滑約束力的條件下，根據(jù)蛇形機器人頭部速度，設計頭部跟蹤已規(guī)劃路徑的跟蹤率，實現(xiàn)了對機器人的路徑控制。Prautsch等[25]提出蜿蜒運動的速度控制方法，通過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，蜿蜒運動的速度控制參數(shù)。為避免蛇形機器人的直線狀態(tài)的奇異情況，Matsuno等[26]分別設計了動態(tài)操縱性和約束力的價值函數(shù)，通過控制身體形狀來滿足價值函數(shù)。Li等[27]建立了蛇形機器人的動力學模型，采用被動控制方法設計了控制器，并用李亞普諾夫理論驗證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為解決關節(jié)受外界環(huán)境阻礙，而導致蛇形機器人無法運動的問題，Liljeback等[14]建立接觸力和相對角的關系，設計了關節(jié)相對角的比例-微分控制器，該控制器通過對機器人的接觸力的測量，調(diào)整關節(jié)相對角，實現(xiàn)障礙輔助自適應的前進步態(tài)，同時利用非線性理論分析了二維步態(tài)控制系統(tǒng)，得出蛇形機器人漸進穩(wěn)定到平衡點的控制率是時變的，并且當與地面的摩擦力為各向同性時，系統(tǒng)不可控，當為各項異性時，系統(tǒng)為強可達到的結(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]。

國內(nèi)從事蛇形機器人的科研單位在控制方法上也取得了一些成果。為實現(xiàn)輪式蛇形機器人的蜿蜒運動，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，將各關節(jié)的相對轉(zhuǎn)角作為控制量，設計閉環(huán)控制回路，仿真結(jié)果顯示，在蜿蜒曲線控制的同時，頭部位置和方向均得到較好的控制效果。陳麗等[30]針對三維側(cè)向運動看作水平方向和垂直方向蜿蜒運動的復合，建立了空間運動方程。為研究蛇形機器人纜索攀爬步態(tài)，魏武等[31]采用迭代鏈擬合方法和關鍵幀提取的聯(lián)合方法，對蛇體曲線進行擬合并生成運動步態(tài)。盧振利等[32-34]通過分析神經(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)，控制蛇形機器人的二維和三維步態(tài)，以及實現(xiàn)步態(tài)轉(zhuǎn)換，又提出層次化聯(lián)結(jié)CPG模型，控制機器人的三維步態(tài)，該方法不完全依賴動力學模型，可根據(jù)控制器的輸出規(guī)律，實現(xiàn)對機器人關節(jié)的轉(zhuǎn)角控制，從而實現(xiàn)蜿蜒運動。王智鋒等[35]從能量傳遞的角度，提出了被動蜿蜒控制方法，該方法能夠讓蛇形機器人不主動測量環(huán)境信息，依靠自身能量狀態(tài)被動地適應環(huán)境。Wu等[36]通過分析單向連接的CPG模型，提出了反饋式CPG模型，初步分析了CPG參數(shù)對蜿蜒運動的影響，從仿真和實驗兩方面驗證了步態(tài)控制的反饋式CPG模型。

3　蛇形機器人的本體研究狀況

幾十年來，經(jīng)過國內(nèi)外學者們的不懈努力，對蛇形機器人的研究成果不但體現(xiàn)在理論上，而且本體樣機的研制上，也結(jié)出了可喜碩果，國內(nèi)外涌現(xiàn)出不同種類、不同功能的蛇形機器人。

3.1國外蛇形機器人

圖1　ACM-R5

圖2　ACM-R5的關節(jié)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

Hirose[3]提出了Active Cord Mechanism蛇形機器人，其率領的科研團隊于1972年研制出世界上第一架命名為ACM 的蛇形機器人，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等陸地蛇形機器人，這些機器人已經(jīng)從簡單的二維運動，發(fā)展到了適應凹凸不平的崎嶇地面。為滿足水下探測需要，該團隊又研發(fā)了名為ACM-R5的水陸兩棲蛇形機器人，如圖1所示。該機器人的關節(jié)設計了一對驅(qū)動伺服電機，通過齒輪系傳動，可實現(xiàn)俯仰和偏航運動，如圖2所示。在每個節(jié)軀干單元的外側(cè)，每隔60°安裝一個帶有小從動輪的葉片，這樣，在關節(jié)進行防水處理后，ACM-R5既可實現(xiàn)陸上的蜿蜒、翻滾和側(cè)向運動，又可實現(xiàn)水下的自由游動，并且其游動速度不少于0.9 m/min。在機器人的頭部裝有一部攝像頭，憑借自身的無限傳輸功能，可以將攝像頭采集到的數(shù)據(jù)傳輸給上位機，以便進行數(shù)據(jù)處理[3,37-39]。該蛇形機器人可通過尾部的電源接口實現(xiàn)有線供電，當進行水下作業(yè)時，也可通過自身攜帶的聚合物鋰電池進行自主供電。

德國國家信息技術研究中心于20世紀末，先后研制出GMD-Snake和GMD-Snake2，如圖3和圖4所示。GMD-Snake頭部帶有用于探測障礙物的壓力傳感器和照明用的LED燈，各個關節(jié)裝有檢測角度的彈簧觸點裝置，以及用于控制水平和垂直方向的驅(qū)動電機，該機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的頭部裝有一個用于圖像識別的攝像頭，每節(jié)軀干單元的殼體都由圓柱形鋁材構(gòu)成，其關節(jié)與GMD-Snake相同，通過兩個電機連接而成的萬向節(jié)實現(xiàn)，如圖5所示。在殼體外側(cè)每隔60°安裝一對小從動輪，殼體內(nèi)部裝有感知運動狀態(tài)的加速度傳感器，以及用于測量距離的機械-光學傳感器。與GMD-Snake相同，需要外部提供24V電源[41]。

圖5　GMD-Snake關節(jié)

圖6　OmniTread 蛇形機器人結(jié)構(gòu)

美國密歇根大學研制的OmniTread OT-4和OmniTread OT-8蛇形機器人具有獨特的結(jié)構(gòu)，如圖6所示，該系列機器人由7節(jié)軀干單元組成，每個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)動單元。在每個軀干單元外與地面接觸的平面上分別裝有一對履帶，以保證機器人發(fā)生機體翻時仍具有足夠的爬行能力。軀干單元之間設計了氣動二自由度的關節(jié)，利用氣動驅(qū)動關節(jié)可實現(xiàn)OmniTread機器人的俯仰和偏航運動。

OmniTread蛇形機器人利用兩塊并聯(lián)的7.4 V、730 mA·h的聚合物鋰電池作為驅(qū)動電源，安裝在驅(qū)動電機兩側(cè)。OmniTread OT-8與OmniTread OT-4不同之處在于可實現(xiàn)無線操控，可通過直徑為23.32 cm(8 inch)的管道，而OmniTread OT-4需要有線操控，僅能通過直徑為11.16 cm(4 inch)通道。在脊柱結(jié)構(gòu)內(nèi)OmniTread機器人具有很強的翻越能力，能夠適應叢林、戈壁、管道等崎嶇環(huán)境，爬行速度可達到0.9 m/min[42]。

美國Gavin Miller帶領團隊研制了S系列的蛇形機器人，其中，S5蛇形機器人具有極高的仿生效果，如圖7所示。該機器人由64個伺服電機和8個伺服控制軀干單元組成，每個單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖8所示，可見該結(jié)構(gòu)僅能進行偏航運動。此外，S5自身攜帶的42塊聚合物鋰電池完成供電。由于S5的軀干關節(jié)數(shù)量大、長徑比小，所以平面蜿蜒運動具有極高的仿生效果。

圖7　蛇形機器人S5

圖8　S5蛇形機器人的軀干單元結(jié)構(gòu)簡圖

為實現(xiàn)距離檢測、運動測量、圖像采集、轉(zhuǎn)動等功能，Gavin Miller對最新款的S7蛇形機器人集成了多種傳感器，如圖9所示[43]。

圖9　蛇形機器人S7

美國卡耐基梅隆大學主要研究用于攀爬的模塊化蛇形機器人，具有代表性的蛇形機器人為Uncle Sam，如圖10所示。該機器人研制考慮了尺寸、功耗和速度等因素對步態(tài)控制的影響，機身全長為94 cm，直徑為5.1 cm。圖11為模塊的示意圖。每個模塊裝有一個伺服電機，通過減速結(jié)構(gòu)實現(xiàn)驅(qū)動桿的動力輸出，并且驅(qū)動桿與連接桿正交設計，將兩個模塊進行連接后，水平方向的驅(qū)動桿可實現(xiàn)偏航運動，鉛垂方向的驅(qū)動桿可實現(xiàn)偏航運動。

圖10　蛇形機器人Uncle Sam

圖11　單模塊的結(jié)構(gòu)示意圖

卡耐基梅隆大學模塊化蛇形機器人采用螺旋步態(tài)實現(xiàn)向前爬行，具有很強的翻越能力，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)境的摩擦作為力學約束條件，通過身體的運動，實現(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。該機器人結(jié)構(gòu)節(jié)湊運動靈活的特點，需要有線控制和外接電源[44-45]。

卡內(nèi)基梅隆大學協(xié)助研發(fā)了一種鉑硅復合的皮膚，既能保護機器人機構(gòu)，還能適應濕地、沙地、灌木叢等環(huán)境，進而研制了一種具有皮膚驅(qū)動能力的蛇形機器人(TSDS)，通過控制皮膚向后運動，實現(xiàn)身體向前運動，如圖12所示[46]。

圖12　皮膚驅(qū)動的蛇形機器人TSDS

挪威科技大學研發(fā)了用于火災撲救的蛇形機器人Anna Konda，其體型較大，軀干采用金屬材料加工，具有20個液壓馬達，身長為3 m，總質(zhì)量為75 kg。該機器人頭部帶有兩個滅火劑噴嘴，當火災發(fā)生時，可對準火源進行撲救，如圖13所示[47-48]。

圖13　蛇形機器人Anna Konda

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

圖14　蛇形機器人Aiko

圖15　蛇形機器人Kullo

而對于由10節(jié)軀干單元組成的Kullo，每個的單元均裝有壓力傳感器，可感知機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，包裹著一個環(huán)形和兩個半環(huán)形的金屬框架，通過兩個輸出軸為正交安裝的伺服電機，以及齒輪系的傳動裝置，可實現(xiàn)水平方向的框架發(fā)生俯仰，鉛垂方向的框架發(fā)生偏航運動，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國內(nèi)蛇形機器人

我國對蛇形機器人本體的研制稍晚于國外，但研發(fā)腳步逐漸趕上國外發(fā)展水平，近年來也取得了可喜成果。

中國科學院沈陽自動化研究所以馬書根為核心的機器人研發(fā)團隊，通過與日本合作，共同研制出具有代表性的蛇形機器人巡視者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，全長約1.2 m，總質(zhì)量8 kg，單元間通過特有的萬向節(jié)鏈接，能夠?qū)崿F(xiàn)俯仰、偏航和滾轉(zhuǎn)三軸轉(zhuǎn)動，每節(jié)軀干單元周圍裝有“體輪”，可減小運動阻力，提高運動效率，其頭部裝有視覺傳感器和GPS系統(tǒng)，用來輔助運動控制。此外，該機器人可自身攜帶電源，以及實現(xiàn)無線操控[51]。

基于對巡視者Ⅱ的研究，探查者Ⅲ可實現(xiàn)水陸兩棲復雜環(huán)境的運動，共由9節(jié)軀干單元組成，總長1.17 m，總質(zhì)量6.75 kg。為適應水下環(huán)境，在軀干單元的徑向，每間隔45°安裝一個帶有從動輪的漿，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)采用兩個伺服電機驅(qū)動，通過齒輪系傳動實現(xiàn)俯仰和偏航運動，單元結(jié)構(gòu)如圖19所示，當左右齒輪同向運動時，發(fā)生俯仰運動，當左右齒輪發(fā)生相反方向運動時，發(fā)生偏航運動[52]。

圖19　探查者Ⅲ的單元結(jié)構(gòu)

上海交通大學研制的適合于攀爬的CSR機器人，全長約1.5 m，總質(zhì)量約2.7 kg，由15個具有俯仰和滾轉(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　蛇形機器人CRS

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

圖21　蛇形機器人CRS的軀干單元

國防科技大學研制的蛇形機器人(簡稱NUDT SR)，總長1.2 m，總質(zhì)量1.8 kg，可實現(xiàn)蜿蜒運動，最大前進速度可達20 m/min，其頭部帶有視頻采集裝置，如圖22所示[54]，然而目前關于該機器人的資料很少。

圖22　國防科技大學的蛇形機器人

北京信息科技大學正在研制一種新型的蛇形機器人“中國龍”(圖23)，全長約1.2 m，總質(zhì)量約2.6 kg。該機器人9個軀干單元構(gòu)成，以及頭、尾關節(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)部裝有一個伺服電機。單元之間通過伺服電機連接，水平安裝的電機實現(xiàn)俯仰運動，鉛垂方向的電機實現(xiàn)偏航轉(zhuǎn)動。軀干單元間隔裝有一對從動輪，從動輪與單元之間通過伺服電機連接，實現(xiàn)自身變形，結(jié)構(gòu)簡圖如圖24所示。

圖23　蛇形機器人“中國龍”

圖24　“中國龍”的軀干單元和分體單元

“中國龍”機器人不但具有多種運動步態(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)，以適應復雜惡劣的環(huán)境，如圖25所示。

圖25　具有感知功能的全織物皮膚

3.3蛇形機器人分類

國內(nèi)外研制的蛇形機器人，在結(jié)構(gòu)上主要有兩大特點，一是連接機器人軀干單元的連接關節(jié)轉(zhuǎn)動功能，二是機器人與外界接觸的輪關節(jié)。

目前，蛇形機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、雙軸轉(zhuǎn)動和三軸轉(zhuǎn)動的實現(xiàn)情況，可進行分類。將單軸轉(zhuǎn)動的關節(jié)按照轉(zhuǎn)動軸的平行安裝，可稱為單軸平行安裝方式的單軸轉(zhuǎn)動關節(jié)，可實現(xiàn)蛇形機器人的蜿蜒和蠕動。而將單軸轉(zhuǎn)動的關節(jié)按照轉(zhuǎn)動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)動關節(jié)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)蜿蜒和鼓風琴運動，還能完成側(cè)向運動和攀爬運動。還有一種將單軸轉(zhuǎn)動的關節(jié)按照轉(zhuǎn)動軸的共面正交安裝，可稱為共面軸正交安裝方式的雙軸轉(zhuǎn)動關節(jié)，如CRS。還有一種雙軸轉(zhuǎn)動關節(jié)是通過齒輪系設計，實現(xiàn)俯仰和偏航，如ACM-R5和Kullo等。三軸轉(zhuǎn)動關節(jié)不但可以實現(xiàn)俯仰和偏航運動，還能夠繞軀干單元的軸線方向進行轉(zhuǎn)動，如GMD-Snake2，盡管由此結(jié)構(gòu)組成的蛇形機器人能實現(xiàn)三維運動，但對伺服電機的輸出力矩要求很高，從而導致機器人的尺寸大，功耗大。

輪關節(jié)可分為主動輪和從動輪，主動輪能夠提高爬行能，從動輪是為滿足機器人在蜿蜒運動時摩擦力的各向異性條件而設計的。根據(jù)運動步態(tài)和功能的不同，蛇形機器人可以有從動輪結(jié)構(gòu)和無從動輪結(jié)構(gòu)。根據(jù)這兩個特點，可以將前面所述蛇形機器人進行分類，如表1所示。

表1　按結(jié)構(gòu)對蛇形機器人分類

從步態(tài)實現(xiàn)的角度，可以對表1所示的機器人進一步劃分，具體內(nèi)容如表2所示。

表2　按運動步態(tài)對蛇形機器人分類

4　蛇形機器人研究現(xiàn)狀分析

綜上對蛇形機器人理論和本體樣機的研究，從如下4個方面對其進行分析。

4.1運動性能分析

蛇形機器人的運動步態(tài)研究得到一定程度的發(fā)展。蜿蜒運動是一種具有高效率的運動步態(tài)，成為步態(tài)研究重點，其他步態(tài)如蠕動、攀爬等也均得以實現(xiàn)，但這些步態(tài)與生物蛇相比，仿生效果尚存在一定差距。目前的蛇形機器人大多具有平面運動能力，但三維運動能力匱乏。究其原因，可以總結(jié)為如下三點：一是蛇形機器人軀干單元采用單軸轉(zhuǎn)動關節(jié)。生物蛇在空間上可靈活轉(zhuǎn)動，使自身展現(xiàn)出更好的柔性效果，而蛇形機器人必須采用具有雙軸或三軸轉(zhuǎn)動關節(jié)，才能達到模擬生物蛇運動的逼真效果。二是軀干單元尺寸大，輸出效率低，導致運動效果不佳，所以需要實現(xiàn)伺服電機小型化。三是三維運動理論研究處于瓶頸，仍需要進一步完善?，F(xiàn)有的成果正處于蛇形機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動為重點，對于運動產(chǎn)生機制、步態(tài)節(jié)奏控制方法等方面具有探索性的研究意義，而對于空間三維運動研究甚少，如當機器人遇到低矮障礙時，或外界干擾引起身形發(fā)生大幅度變化時，憑借現(xiàn)階段的理論水平很難順利完成翻越運動，或調(diào)節(jié)自身體形適應環(huán)境，并向前運動?？梢?，對于蛇形機器人運動理論研究尚不夠，遠不足以構(gòu)建研發(fā)高仿真蛇形機器人的理論框架。

4.2功能特性分析

經(jīng)過對蛇形機器人不斷研發(fā)，其運動能力開始向?qū)崿F(xiàn)復雜運動方向發(fā)展。雙軸轉(zhuǎn)動關節(jié)的研制提高了機器人的靈活性和集成度，為三維運動的高仿生運動提供了基礎。嘗試性地將適應領域從陸地向水陸兩棲發(fā)展，使蛇形機器人不僅具有陸地爬行能力，還具有水中的游動能力。

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

然而，在實現(xiàn)這些功能過程中，仍然存在一些問題需要克服。水陸兩棲機器人在水中需要不斷運動，由于密封部位處于周期性交替拉伸和舒張過程，長時間工作引起密封部位出現(xiàn)疲勞開膠，導致內(nèi)部漏水，控制系統(tǒng)無法正常工作，這便為機器蛇防水關節(jié)的密封性和續(xù)航時間提出了一定挑戰(zhàn)。對于暴露在外界的關節(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)和高強度的材料作為加工的原材料，或者采用設計外加關節(jié)的保護套等措施來應對。對于某些工作環(huán)境，僅僅依靠軀干單元的伺服電機機動力實現(xiàn)運動，不能得到有效的、高效率的爬行結(jié)果，可以考慮通過對從動輪施加動力，成為驅(qū)動輪，增強運動能力。在集成電路的設計上，需要格外考慮系統(tǒng)在集成各種傳感器后的可靠性問題，如散熱等。為滿足多功能、長續(xù)航的工作要求，蛇形機器人在保證低負載、便攜帶的條件下，需要裝配體積的高容量電池。

4.3運動環(huán)境分析

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

4.4項目資助分析

隨著國內(nèi)外對蛇形機器人的關注度不斷提高，對該領域的研究在不同國家得到格外重視，均取得了高水平的科研資助。

日本對蛇形機器人的資助，主要包括教育部科學、體育、文化、財政資助科學研究先進機器人研發(fā)的創(chuàng)新工程項目，國際救援系統(tǒng)研究所和國立地球科學防災研究所共同資助的社會防震減災項目等。美國對蛇形機器人研究受到了國家科學基金、國防部高級研究計劃局等的頂級資助，而且也得到了海軍青年研究學者部門的資助。

在我國，蛇形機器人研發(fā)同樣倍受重視，得到了國家、省地方的重點資助，其中包括國家自然科學基金、國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)、中國科學院知識創(chuàng)新工程青年人才領域前沿項目、北京市科技計劃項目、北京市教委創(chuàng)新能力提升計劃項目、中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金項目、湖南省張花高速公路支持項目、交通運輸部西部交通建設科技項目等資助。

5　結(jié)論與展望

針對現(xiàn)代戰(zhàn)爭信息化、民用領域的廣泛需求，結(jié)合蛇形機器人易于偽裝、隱蔽性高、結(jié)構(gòu)緊密和高集成化等特點，本文對國內(nèi)外近40年的仿生蛇的理論研究和本體研制狀況進行了有針對性的研究。

根據(jù)生物蛇具有的蜿蜒運動、直線運動、鼓風琴運動和側(cè)移運動等的基本步態(tài)，國內(nèi)外提出了描述二維運動的Clothoid、Serpenoid和Serpentine曲線，建立了三維運動的螺旋曲線。為實現(xiàn)蛇形機器人的步態(tài)控制，從不同角度建立了的二維和三維的運動學模型和動力學模型，由此設計不同種類的步態(tài)控制器，并在穩(wěn)定性分析方面做了一定的研究?？v觀蛇形機器人本體研制狀況，日本、美國、德國、挪威、中國等國家通過不懈努力研發(fā)，研究了具有不同功能的蛇形機器人，本文根據(jù)機器人結(jié)構(gòu)和運動步態(tài)的特點，對蛇形機器人進行了分類。而且，這些研究得到了不同國家的關注，得到了重要項目的大力資助。

盡管目前對蛇形機器人的研究已取得了一定的研究成果，但為提高其適應能力，未來的工作需要從不同角度對蛇形機器人進行深入研究。

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

在結(jié)構(gòu)方面，在研究小型化伺服電機的基礎上，蛇形機器人的軀干單元將會得到進一步的改進，并能夠提高機器人的柔性和靈活性。隨著變形結(jié)構(gòu)、分體結(jié)構(gòu)應用，蛇形機器人對復雜、危險環(huán)境的適應能力和生存能力將會大幅度提高。

在感知功能方面，全織物皮膚的研制為感知能力的探索開起了先河，視覺識別、視覺測距、氣體識別、輻射探測等功能均將得到重點研究，而且，根據(jù)不同傳感器的應用特點，不同種類的感知皮膚會應運而生，具有感知能力的蛇形機器人將會在機器人領域如雨后春筍般地涌現(xiàn)在智能舞臺上。

在工程實現(xiàn)方面，自給供電將便于蛇形機器人的運動，并有助于工作人員攜帶。這將會推進對于高性能小型化電池發(fā)展的研究步伐，有望解決小型機器人長航時的能源供給問題。隨著蛇形機器人多功能高集成化發(fā)展，大數(shù)據(jù)無線傳輸技術將會促進控制系統(tǒng)軟件、硬件向人機交互多智能系統(tǒng)發(fā)展，相信未來的蛇形機器人能夠勝任復雜、惡劣、危險環(huán)境的工作要求。

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[54]吉愛紅, 戴振東, 周來水. 仿生機器人的研究進展[J]. 機器人, 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

國家自然科學基金委員會及香港研究資助局聯(lián)合科研基金資助項目(61261160497)；北京市科技計劃項目(Z121100001612007)；北京市教委創(chuàng)新能力提升計劃項目(PXM2013_014224_000093)

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

蘇中，男，1962年生。北京信息科技大學通信學院院長、教授，北京理工大學自動化學院博士研究生導師，高動態(tài)導航技術北京市重點實驗室主任。張雙彪(通信作者)，男，1984年生。北京理工大學宇航學院博士研究生。李興城，男，1969年生。北京理工大學宇航學院副研究員。