供稿|張棚 / ZHANG Peng

內(nèi)容導(dǎo)讀

在日常生活中經(jīng)常見(jiàn)到形式各樣的具有定向功能的機(jī)器人，它們?cè)诓煌I(lǐng)域內(nèi)協(xié)助或完全取代人力開(kāi)展相關(guān)工作，不僅提高了工業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量和效率，同時(shí)也增加人們生活的體驗(yàn)感和豐富度。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷提升，研究者們開(kāi)始著手于仿生類(lèi)機(jī)器人的研究和研發(fā)，通過(guò)對(duì)一些動(dòng)物所具備的獨(dú)特運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行分析和模仿，進(jìn)而應(yīng)用到生活實(shí)際中，以此來(lái)克服傳統(tǒng)機(jī)器人在工作過(guò)程中存在的缺陷。本文將以蛇形機(jī)器人為例，介紹其生物研究、歷史發(fā)展、功能應(yīng)用，使讀者對(duì)蛇形機(jī)器人有更加清楚的認(rèn)識(shí)，以及對(duì)仿生類(lèi)機(jī)器人有初步的了解。

在自然環(huán)境中，無(wú)論是在高山峽谷、平原溝壑，還是江河湖海、沙漠沼澤中都能發(fā)現(xiàn)對(duì)這種環(huán)境賴以生存的蛇存在，足以見(jiàn)得蛇在自然界中具有廣闊的生存范圍和強(qiáng)大的環(huán)境適應(yīng)能力。其本質(zhì)原因在于，蛇進(jìn)化出了多種適應(yīng)性的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，因此，基于對(duì)這些獨(dú)特運(yùn)動(dòng)姿態(tài)進(jìn)行仿生模擬而設(shè)計(jì)的蛇形機(jī)器人能夠在多種環(huán)境下適應(yīng)性地實(shí)現(xiàn)相關(guān)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)前蛇形機(jī)器人已經(jīng)逐步應(yīng)用于一些特定場(chǎng)所從事相關(guān)的檢測(cè)任務(wù)，未來(lái)一定能夠更加高效廣泛地應(yīng)用在各種領(lǐng)域中。

自然界中的蛇

在大家固有的印象中，一提到蛇總會(huì)讓人感到恐懼，人們害怕蛇像針管一樣尖銳的毒牙，一旦被咬便會(huì)猛烈地刺入到皮膚深處，若是有毒蛇，毒液還會(huì)通過(guò)中空的毒牙注入人體內(nèi)，通過(guò)血液循環(huán)擴(kuò)散至人的全身，進(jìn)而威脅到人的生命安全，以至于出現(xiàn)“一朝被蛇咬，十年怕井繩”的典故。

除了毒牙，人們對(duì)蛇的畏懼也來(lái)自于蛇不同于其他無(wú)足類(lèi)爬行動(dòng)物而具備多種運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，這種靈活性的姿態(tài)轉(zhuǎn)換得益于獨(dú)特的骨架結(jié)構(gòu)。從生物學(xué)的角度來(lái)看，蛇的骨骼主要由顱骨、肋骨和脊椎骨構(gòu)成，其中脊椎骨的數(shù)量決定了蛇的軀干長(zhǎng)度，但總的來(lái)說(shuō)，一條蛇大致有130～500個(gè)脊椎骨。肋骨位于每塊脊椎骨上，依靠肌肉的伸縮，每塊脊椎骨之間能實(shí)現(xiàn)10°～20°的小范圍旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，但是數(shù)量龐大的脊椎骨小范圍運(yùn)動(dòng)疊加在一起，蛇便能實(shí)現(xiàn)靈活的姿態(tài)。

蛇在平面上的運(yùn)動(dòng)

蛇在平面上的運(yùn)動(dòng)主要分為蜿蜒運(yùn)動(dòng)、伸縮運(yùn)動(dòng)(又稱(chēng)內(nèi)攀爬運(yùn)動(dòng))和直線運(yùn)動(dòng)(又稱(chēng)行波運(yùn)動(dòng)或蠕動(dòng)運(yùn)動(dòng))[1]。

蜿蜒運(yùn)動(dòng)是蛇最常見(jiàn)、效率最高的運(yùn)動(dòng)方式，自然界中大部分蛇在陸地或水中運(yùn)動(dòng)時(shí)都會(huì)采用蜿蜒運(yùn)動(dòng)。在做蜿蜒運(yùn)動(dòng)時(shí)，蛇的軀干會(huì)形成若干個(gè)正弦波形狀，波形從頭部到尾部依次傳遞，腹部和地面之間的摩擦力或與水之間的相互作用力推動(dòng)蛇向前運(yùn)動(dòng)，如圖1(a)。

圖1 蛇在平面上的運(yùn)動(dòng)

伸縮運(yùn)動(dòng)是蛇進(jìn)化出的一種適應(yīng)狹窄空間的運(yùn)動(dòng)方式，當(dāng)蛇運(yùn)動(dòng)經(jīng)過(guò)狹窄空間時(shí)，軀干的前部分會(huì)彎曲成若干個(gè)S形與地面接觸，而軀干的后部分則相對(duì)保持伸直的狀態(tài)并被往前拉進(jìn)，之后軀干的后部分形成若干個(gè)S形與地面接觸，前部分則保持相對(duì)伸直的狀態(tài)被往前推進(jìn)，實(shí)際情況下這種重復(fù)的“彎曲-拉近-彎曲-推進(jìn)”過(guò)程使得蛇緩慢地向前移動(dòng)，運(yùn)動(dòng)效率很低，如圖1(b)所示。

直線運(yùn)動(dòng)是大體型蛇類(lèi)以及部分劇毒蛇類(lèi)的常用的一種運(yùn)動(dòng)方式，該步態(tài)是通過(guò)蛇腹部的肌肉收縮實(shí)現(xiàn)，所以在這種情況下，蛇的脊椎沒(méi)有實(shí)現(xiàn)橫向的擺動(dòng)而在整體上呈現(xiàn)出直線前進(jìn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，如圖1(c)所示。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，蛇腹部的一組肌肉收縮控制皮膚從地面抬起并向前拉伸，另一組肌肉控制腹部皮膚壓低并往后推動(dòng)，兩組肌肉不斷實(shí)現(xiàn)交替的拉伸和推動(dòng)作用，蛇從而實(shí)現(xiàn)前向運(yùn)動(dòng)，但這種運(yùn)動(dòng)的效率也很低。

蛇在空間中的運(yùn)動(dòng)

自然環(huán)境往往更為復(fù)雜和多變，因此蛇在空間中的運(yùn)動(dòng)會(huì)根據(jù)環(huán)境的變化和結(jié)合當(dāng)前任務(wù)的可執(zhí)行性，如自身處于劣勢(shì)狀態(tài)或遇到天敵情況需要立刻逃生，此時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)往往都是非常見(jiàn)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，包括側(cè)向運(yùn)動(dòng)、在陌生環(huán)境中偵察或恐嚇敵方時(shí)將前三分之一軀干豎立起來(lái)的抬起姿態(tài)，以及纏繞樹(shù)干向上前進(jìn)的攀爬運(yùn)動(dòng)，如圖2所示。

圖2 蛇在空間中的運(yùn)動(dòng)

側(cè)移運(yùn)動(dòng)是蛇為了適應(yīng)比較光滑的地面而進(jìn)化擁有的一種特殊的運(yùn)動(dòng)方式，如自然界中濕潤(rùn)的沼澤環(huán)境和流動(dòng)性較強(qiáng)的沙漠環(huán)境等。沙漠中的響尾蛇會(huì)采用側(cè)移步態(tài)在沙漠中前行，由于沙漠環(huán)境的接觸面較為松軟，在白天時(shí)間沙礫的溫度較高，響尾蛇在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中身體的各個(gè)部分不能長(zhǎng)時(shí)間與沙礫接觸，因此只能采用軀干部分交替接觸的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)運(yùn)動(dòng)。側(cè)移運(yùn)動(dòng)時(shí)，蛇軀干上的每個(gè)部分會(huì)從頭部到尾部依次與地面接觸和離開(kāi)，最終實(shí)現(xiàn)軀干整體朝側(cè)向移動(dòng)。相較于二維姿態(tài)中的直線運(yùn)動(dòng)和伸縮運(yùn)動(dòng)，側(cè)移運(yùn)動(dòng)是一種效率較高的運(yùn)動(dòng)步態(tài)。

纏繞樹(shù)干的螺旋攀爬運(yùn)動(dòng)主要分為折疊伸縮式運(yùn)動(dòng)和螺旋蠕動(dòng)式運(yùn)動(dòng)。折疊伸縮式運(yùn)動(dòng)是一種沿樹(shù)干縱軸方向收縮的運(yùn)動(dòng)步態(tài)，蛇在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，軀干的前半部分向上伸展，到達(dá)一定位置后上半部分纏繞在樹(shù)干上，然后放松已經(jīng)纏繞在樹(shù)干上的后半部分軀干并向上收縮，到達(dá)一定位置后后半部分纏繞在樹(shù)干上，也正是這種“頭部伸展—頭部纏繞—尾部收縮—尾部纏繞”的折疊伸縮式運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了蛇的攀爬。螺旋蠕動(dòng)式運(yùn)動(dòng)是蛇的軀干形成空間螺旋形態(tài)實(shí)現(xiàn)蠕動(dòng)的傳遞，蛇的尾部通過(guò)部分關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)起伏以縱波的形式傳遞至蛇的頭部，在整個(gè)攀爬的過(guò)程中，蛇沿著一條固定的軌跡運(yùn)動(dòng)，由于這種步態(tài)在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中大部分關(guān)節(jié)都是纏繞在樹(shù)干上的，因此需要額外產(chǎn)生用來(lái)克服重力作用的摩擦力較小，但這種步態(tài)的攀爬速度較慢。

蛇形機(jī)器人的歷史

1972年，東京工業(yè)大學(xué)的Hirose對(duì)蛇的運(yùn)動(dòng)原理通過(guò)數(shù)學(xué)方法描述為蛇形曲線(Serpentine)，直至今日，蛇形曲線仍舊是蛇形機(jī)器人研究領(lǐng)域具有指導(dǎo)意義的曲線[2]。其團(tuán)隊(duì)采用多關(guān)節(jié)模塊串聯(lián)式鏈接組成的高冗余度系統(tǒng)而設(shè)計(jì)出了世界上第一臺(tái)蛇形機(jī)器人樣機(jī)ACM-Ⅲ，該機(jī)器人全長(zhǎng)2 m，質(zhì)量為28 kg，有20個(gè)相互平行的關(guān)節(jié)構(gòu)成，能夠在平面內(nèi)實(shí)現(xiàn)蜿蜒運(yùn)動(dòng)，由于受到關(guān)節(jié)連接的限制，ACM-Ⅲ并不具備在空間中運(yùn)動(dòng)的能力。

在后續(xù)經(jīng)過(guò)近50年的創(chuàng)新和發(fā)展，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)、挪威科技大學(xué)、德國(guó)GMD國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、上海交通大學(xué)、沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所、北京科技大學(xué)等眾多高校及科研機(jī)構(gòu)在推進(jìn)蛇形機(jī)器人的功能研發(fā)和實(shí)際應(yīng)用中做出了巨大的貢獻(xiàn)[3]。

蛇形機(jī)器人的研究現(xiàn)狀

除了最早的蛇形機(jī)器人ACM-Ⅲ外，東京工業(yè)大學(xué)還研制了動(dòng)力驅(qū)動(dòng)更強(qiáng)的蛇形機(jī)器人ACMR4以及同時(shí)具備地面和水下運(yùn)動(dòng)的水陸兩棲蛇形機(jī)器人ACM-R5等。1997年，德國(guó)的Gavin Miller研制了蛇形機(jī)器人S1～S7共七代蛇形機(jī)器人，該機(jī)器人在形狀尺寸設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)數(shù)量等方面考慮得非常完備，在外形上具有極強(qiáng)的仿生效果，因此也被稱(chēng)為最接近生物蛇蜿蜒運(yùn)動(dòng)的蛇形機(jī)器人。2000年，美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)為了完成太空探測(cè)和空間站的維護(hù)設(shè)計(jì)了一款正交關(guān)節(jié)連接的蛇形機(jī)器人，該機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)蠕動(dòng)前進(jìn)、翻越簡(jiǎn)單障礙物等功能，具備空間運(yùn)動(dòng)的能力。

美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)Howie Choset研發(fā)了Uncle Sam、SEA和Unified Snake Robot蛇形機(jī)器人，這些機(jī)器人能夠適應(yīng)草地、管道網(wǎng)絡(luò)、樹(shù)干等多種非結(jié)構(gòu)環(huán)境。美國(guó)密歇根大學(xué)研制出地面適應(yīng)能力更強(qiáng)的一種蛇形機(jī)器人Omni-Tread OT8和OT-4，這些機(jī)器人的每個(gè)關(guān)節(jié)模塊配備了有八條履帶式的輪子，其地面行走能力非常強(qiáng)，能夠適應(yīng)各種非常復(fù)雜的地形環(huán)境。德國(guó)GMD國(guó)家實(shí)驗(yàn)室對(duì)蛇形機(jī)器人的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有突出的貢獻(xiàn)，蛇形機(jī)器人GMD-Snake和GMD-Snake2均采用了模塊化設(shè)計(jì)的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，同時(shí)每個(gè)關(guān)節(jié)具有兩個(gè)相互垂直的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，整個(gè)蛇形機(jī)器人的自由度個(gè)數(shù)是關(guān)節(jié)數(shù)量的兩倍，從而更加增強(qiáng)了蛇形機(jī)器人的靈活性和機(jī)動(dòng)性。

在國(guó)內(nèi)，上海交通大學(xué)于1999年發(fā)布了我國(guó)第一款蛇形機(jī)器人樣機(jī)，該樣機(jī)在外形上與生物蛇極為相似。國(guó)防科技大學(xué)在蛇形機(jī)器人的頭部配置了攝像頭后，實(shí)現(xiàn)了對(duì)蛇形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)前方環(huán)境的獲取和分析。沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所是我國(guó)蛇形機(jī)器人研究領(lǐng)域的領(lǐng)軍科研機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了包括蛇形機(jī)器人SIA(初代樣機(jī)，2001年)，巡視者Ⅰ(2004年)、巡視者Ⅱ(2004年)及探查者Ⅲ(2011年)等多款樣機(jī)，對(duì)蛇形機(jī)器人的控制理論、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)規(guī)劃開(kāi)展了全面而系統(tǒng)的研究。除此之外，北京化工大學(xué)、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)、北科大等高校也開(kāi)展了大量的研究。

蛇形機(jī)器人的應(yīng)用

從蛇形機(jī)器人的結(jié)構(gòu)可知其具備靈活的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和高度的環(huán)境適應(yīng)性，因此蛇形機(jī)器人可以應(yīng)用在安全檢測(cè)、工業(yè)生產(chǎn)、航空航天、國(guó)防軍事、醫(yī)療應(yīng)用等諸多領(lǐng)域[4]。圖3展示了蛇形機(jī)器人在不同領(lǐng)域的應(yīng)用。

圖3 蛇形機(jī)器人的應(yīng)用

安全檢測(cè)和狀態(tài)檢測(cè)是蛇形機(jī)器人最常見(jiàn)的應(yīng)用場(chǎng)景之一，同時(shí)也是便捷的應(yīng)用場(chǎng)景之一。蛇形機(jī)器人修長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)確保了其能夠像生物蛇一樣在管道內(nèi)部攀爬或外部攀附，在特定的關(guān)節(jié)上安裝傳感器，通過(guò)控制可以對(duì)管道的損傷進(jìn)行探測(cè)和預(yù)警?？▋?nèi)基梅隆大學(xué)將蛇形機(jī)器人在社區(qū)雨水管道網(wǎng)通中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不僅實(shí)現(xiàn)了蛇形機(jī)器人在直管、彎管、變徑管道等復(fù)雜的管道網(wǎng)絡(luò)中實(shí)驗(yàn)，同時(shí)，通過(guò)GPS實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與主控平臺(tái)之間的聯(lián)系，蛇形機(jī)器人頭部的攝像頭實(shí)時(shí)地傳回雨水管道網(wǎng)絡(luò)中的堵塞或破損情況，極大地提高了檢測(cè)效率和節(jié)省了人力成本。

工業(yè)生產(chǎn)中可以利用蛇形機(jī)器人在高危倉(cāng)庫(kù)中實(shí)現(xiàn)?；返难惨暀z查和臨時(shí)搬運(yùn)。蛇形機(jī)器人在復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)環(huán)境中能夠通過(guò)步態(tài)切換的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)。尤其是在高危倉(cāng)庫(kù)的安全隱患排除時(shí)，蛇形機(jī)器人需要能夠獨(dú)立開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)檢查，而將其頭部改裝配備上特定的夾持機(jī)構(gòu)便可以適當(dāng)完成潛在隱患的搬運(yùn)和轉(zhuǎn)移。天津工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)的蛇形機(jī)器人在其頭部安裝了一個(gè)夾持器，該夾持器的理論操作空間為45 mm的夾具開(kāi)口距離，但是在實(shí)際操作時(shí)，由于齒輪的間隙和精度問(wèn)題，改加持機(jī)構(gòu)的最佳抓取對(duì)象的寬度為20～34 mm。

除了NASA設(shè)計(jì)的空間站維護(hù)蛇形機(jī)器人外，近些年來(lái)有研究者研究了將蛇形機(jī)器人應(yīng)用于外星球的探索和開(kāi)發(fā)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)通過(guò)模擬月球表面的隕石坑環(huán)境，研究了蛇形機(jī)器人在不同隕石坑壁傾角條件下蛇形機(jī)器人的最佳攀爬策略，為我國(guó)下一步探月任務(wù)中的實(shí)地采樣環(huán)節(jié)提供了有效的建議和有力的支持。

國(guó)防軍事前線是關(guān)系到我們每個(gè)人生活安全的重要一部分，同時(shí)因?yàn)閼?zhàn)爭(zhēng)的原因我國(guó)西南邊境等地依舊存在大面積的雷區(qū)，這嚴(yán)重危害到了當(dāng)?shù)鼐用竦纳a(chǎn)生活，而目前的邊境排雷還是主要依賴排雷兵進(jìn)行人工排雷，而探雷的過(guò)程則更是極為復(fù)雜和繁瑣的，而采用蛇形機(jī)器人進(jìn)行協(xié)助排雷不僅降低了人為探雷的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也能通過(guò)傳感設(shè)備對(duì)埋雷的具體點(diǎn)位進(jìn)行傳送和反饋。與此同時(shí)，蛇形機(jī)器人在野外環(huán)境能夠纏繞在樹(shù)枝等隱蔽的環(huán)境中，對(duì)環(huán)境偵察和情報(bào)獲取具有極高的軍事指導(dǎo)意義。

北京科技大學(xué)的蛇形機(jī)器人

北京科技大學(xué)仿生蛇形機(jī)器人研究主要由機(jī)械工程學(xué)院郜志英教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)展，目前具備完善的“教授指導(dǎo)—博士帶頭—碩士創(chuàng)新—本科生SRTP”全階段的培養(yǎng)體系，對(duì)蛇形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)分析、運(yùn)動(dòng)控制、樣機(jī)設(shè)計(jì)、控制策略優(yōu)化、實(shí)際應(yīng)用落地等開(kāi)展了較為全面的研究和分析。

目前該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)設(shè)計(jì)完善了5代蛇形機(jī)器人，能夠全面高效的完成平面運(yùn)動(dòng)及空間運(yùn)動(dòng)(圖4)。同時(shí)，他們致力于將蛇形機(jī)器人應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，依托于北京科技大學(xué)順德研究生院在大灣區(qū)的優(yōu)勢(shì)，團(tuán)隊(duì)正在積極與當(dāng)?shù)仄髽I(yè)開(kāi)展溝通和交流，為蛇形機(jī)器人的進(jìn)一步科技成果轉(zhuǎn)化不斷努力著。

圖4 北京科技大學(xué)設(shè)計(jì)的系列蛇形機(jī)器人