李東方，鄧宏彬，修楊

（1.福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福州 350108；2.武夷學(xué)院農(nóng)機(jī)智能控制與制造技術(shù)福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武夷山 354300；3.北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院，北京 100081）

1 引 言

在絕大多數(shù)人眼中，生物蛇是一種兇猛的動(dòng)物。然而，生物蛇的運(yùn)動(dòng)過(guò)程具有高度的穩(wěn)定性和魯棒性。由于生物蛇的身體柔軟，在依靠自身身體形態(tài)變化的情況下，生物蛇不僅能夠在沼澤、沙漠等松軟地面和崎嶇不平的地面上運(yùn)動(dòng)，而且能夠穿越巖洞、翻越障礙、攀爬樓梯、適應(yīng)復(fù)雜多變的地理環(huán)境。因此，研究一種多關(guān)節(jié)蛇形仿生機(jī)器人有著重要的意義。

多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人是人們對(duì)生物蛇的身體結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行仔細(xì)觀察和充分研究的成果，是一種新型的可移動(dòng)的柔性機(jī)器人，其身體結(jié)構(gòu)由頭部關(guān)節(jié)和尾部關(guān)節(jié)組成。其中，頭部關(guān)節(jié)主要控制多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人的前進(jìn)方向，尾部關(guān)節(jié)主要通過(guò)運(yùn)動(dòng)為多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人提供向前的動(dòng)力。多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人憑借著多自由度、多冗余度的優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)多步態(tài)的運(yùn)動(dòng)形式，使得自身能夠在復(fù)雜且不規(guī)則障礙物的環(huán)境中運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)形式遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了常規(guī)履帶式、輪式以及腿動(dòng)式機(jī)器人。因此，多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人成為了仿生機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。由于多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人裝有多功能電子探測(cè)設(shè)備，能夠替代人類執(zhí)行水域、核電站、井下、管道和地震環(huán)境等多種環(huán)境的工作任務(wù)。所以，對(duì)多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的研究更是智能控制領(lǐng)域中的重要組成部分［1］。

多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人在災(zāi)后救援、水下勘探、醫(yī)療援助、危險(xiǎn)作業(yè)、宇宙探索和防恐作戰(zhàn)等領(lǐng)域存在著諸多優(yōu)勢(shì)，使得這種機(jī)器人有著非常廣泛的應(yīng)用前景。這也使得多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人的發(fā)展成為必然。同時(shí)，多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人有著可大批量生產(chǎn)且生產(chǎn)成本較低的優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)崿F(xiàn)集群協(xié)同工作。因此，多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人在一系列的仿生機(jī)器人中脫穎而出。開(kāi)展多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人的研究為機(jī)器人領(lǐng)域和仿生學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展開(kāi)辟了新的研究思路、提供新的工作原理和創(chuàng)造新的技術(shù)途徑，推動(dòng)了新原理、新材料、新工藝、目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別、控制與跟蹤、定位與導(dǎo)航、通信與組網(wǎng)、微小型化和智能化等技術(shù)的發(fā)展［2］。

近些年來(lái)，經(jīng)過(guò)各國(guó)研究學(xué)者的不懈努力，人們對(duì)多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)步態(tài)的研究成果不僅體現(xiàn)在理論研究上，而且也體現(xiàn)在蛇體樣機(jī)的研制上。這些多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人樣機(jī)憑借不同的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)功能，能夠適用于多種復(fù)雜和未知的工作環(huán)境。

2 國(guó)外多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人的研究現(xiàn)狀

近年來(lái)，在仿生機(jī)器人技術(shù)的研究領(lǐng)域中，日本、美國(guó)、德國(guó)、以色列、挪威等國(guó)家紛紛根據(jù)不同的環(huán)境和功能需要研制出了多種獨(dú)特的多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人，快速推動(dòng)了多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人的研究與發(fā)展［3］。

全世界第一臺(tái)仿生多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人樣機(jī)是在1972年由日本東京工業(yè)大學(xué)的Hirose教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)出來(lái)的，其名為ACM-Ⅲ，如圖1（a）所示。這種仿生多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人的蜿蜒運(yùn)動(dòng)主要是依靠機(jī)器人每個(gè)關(guān)節(jié)底部的兩個(gè)被動(dòng)輪與地面之間產(chǎn)生的縱向和橫向摩擦力來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這種二維運(yùn)動(dòng)方式的運(yùn)動(dòng)速度與所處的地面環(huán)境關(guān)系密切。之后，Hirose教授團(tuán)隊(duì)又在第一代ACM-Ⅲ機(jī)器人的基礎(chǔ)上研制出了一系列的仿生多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人［4］。其中ACM-R3型號(hào)和ACM-R5型號(hào)的仿生多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人性能尤為突出，如圖1（b）和圖1（c）所示。ACM-R3型號(hào)仿生多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人將運(yùn)動(dòng)維度由二維上升到了三維，這使得仿生多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人可以更好地適應(yīng)崎嶇不平的陸上復(fù)雜環(huán)境。而ACM-R5型號(hào)仿生多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人不僅可以實(shí)現(xiàn)蛇形蜿蜒、側(cè)向蜿蜒、側(cè)向翻滾等三維運(yùn)動(dòng)，還能同時(shí)適應(yīng)陸地和水下兩種環(huán)境，做到了真正意義上的兩棲運(yùn)動(dòng)。該機(jī)器人將會(huì)代替人類完成陸上的勘察、搜尋和一些復(fù)雜的水下任務(wù)，這為水陸兩棲型仿生多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人的研究奠定了良好的發(fā)展基礎(chǔ)［5］。

圖1 Hirose教授研制的多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人Fig.1 Multi-joint snake robot developed by professor Hirose

由日本NEC公司制作的管狀仿生多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人可以進(jìn)行陸上三維運(yùn)動(dòng)。這種仿生多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人是由六根管狀結(jié)構(gòu)的連桿組合而成，其中每根管狀連桿的直徑為4.2 cm。該機(jī)器人的總長(zhǎng)度約為140 cm，總質(zhì)量約為4600 g。這種仿生多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人憑借其管狀的細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)可以在人類無(wú)法進(jìn)入的狹窄區(qū)域中活動(dòng)，代替人類完成災(zāi)后搜索和救援任務(wù)。

美國(guó)的Gavin Miller博士對(duì)仿生多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人領(lǐng)域的發(fā)展也做出了巨大的貢獻(xiàn)，他的團(tuán)隊(duì)從1987年至今研制出了一系列的仿生多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人，其中最具代表的是S系列中S5仿生多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人［6］。S5型號(hào)仿生多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人的結(jié)構(gòu)外觀如圖2所示。這種仿生多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人具有許多個(gè)關(guān)節(jié)，它的二維蜿蜒運(yùn)動(dòng)主要是依靠每個(gè)關(guān)節(jié)底部的被動(dòng)輪來(lái)實(shí)現(xiàn)的。雖然自身無(wú)法進(jìn)行三維運(yùn)動(dòng)，但其二維蜿蜒運(yùn)動(dòng)方式被公認(rèn)是與生物蛇最為接近的。

圖2 Gavin Miller研制的多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人Fig.2 Multi-joint snake robot developed by Gavin Miller

名為“山姆大叔”的仿生多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人是由美國(guó)卡耐基梅隆大學(xué)Howie Choset研究和制作的，其外觀如圖3所示。該仿生多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人采用模塊化設(shè)計(jì)，就像一連串的關(guān)節(jié)將它的身體連接起來(lái)。圖4顯示了蛇形機(jī)器人模塊的兩個(gè)視圖。這些模塊通過(guò)螺絲連接在一起，螺絲將每個(gè)模塊的背面固定在前一個(gè)模塊的U形外殼上。背部使得整個(gè)蛇形機(jī)器人可以機(jī)械組裝，每個(gè)模塊只需要兩個(gè)螺絲，即通過(guò)拆卸模塊上的兩個(gè)螺絲和前面模塊上的兩個(gè)螺絲來(lái)完全分離模塊。這種模塊化的設(shè)計(jì)可以根據(jù)實(shí)際的需要來(lái)靈活地增加或減少模塊的數(shù)量，改變仿生多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人的長(zhǎng)度，使機(jī)器人在不改變結(jié)構(gòu)的前提下實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的二維運(yùn)動(dòng)或三維運(yùn)動(dòng)［7-8］?？梢?jiàn)，隨著科技水平的不斷提高，蛇形機(jī)器人在災(zāi)害救援領(lǐng)域中的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛，這也將有效減少人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。

圖3 多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人“山姆大叔”Fig.3 Multi-joint snake robot “Uncle Sam”

圖4 蛇形機(jī)器人模塊化視圖Fig.4 Views of model of a snake robot module

受日本本州島、福島海域地震等自然災(zāi)害頻發(fā)的影響，2017年6月日本東北大學(xué)科學(xué)家田所悟志及其團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種對(duì)大型自然災(zāi)害的援救工作十分有幫助的多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人，如圖5所示。該多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人可以快速改變方向以避開(kāi)障礙物。該機(jī)器人頂部為攝像頭，身體四周材質(zhì)類似尼龍刷，通過(guò)表面覆蓋的尼龍細(xì)毛輕微震動(dòng)以達(dá)到匍匐前進(jìn)的效果。能夠攀爬墻面和瓷磚，在地震或海嘯等災(zāi)難發(fā)生后，能夠迅速抵達(dá)救援人員難以進(jìn)入的區(qū)域進(jìn)行搜救。此外，安裝在前端的攝像頭還能檢查基礎(chǔ)設(shè)施和建筑物的損壞程度［9］。

圖5 尼龍細(xì)毛的多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人Fig.5 Multi-joint snake robot with nylon fine hair

美國(guó)知名的特斯拉汽車公司于2015年8月推出了一款蛇形的汽車充電器，如圖6所示［10］。這種充電器的主體結(jié)構(gòu)與生物蛇類似，它的一端固定，另一端可以連接汽車的充電接口。當(dāng)有汽車需要充電的時(shí)候，蛇形充電器會(huì)自動(dòng)彎曲身體，尋找充電接口并完成對(duì)接。這種仿生蛇形汽車充電器不需要人為操作，充電迅速，為人們的生活帶來(lái)了極大的便利。

圖6 特斯拉公司的蛇形充電器Fig.6 Tesla’s snake charger

哈佛大學(xué)的研究人員利用“蛇鱗”結(jié)構(gòu)和剪紙工藝原理，設(shè)計(jì)了一種充氣式的柔性機(jī)器人［11］。這種機(jī)器人通過(guò)充氣與放氣的循環(huán)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)爬行，如圖7所示。柔性機(jī)器人的塑料鱗片存在多個(gè)微型切口。當(dāng)機(jī)器人充氣時(shí)，鱗片切口會(huì)被彈起，這會(huì)使得機(jī)器人牢牢地抓住地面。等到機(jī)器人放氣時(shí)，就會(huì)推動(dòng)機(jī)器人向前移動(dòng)。與此同時(shí)，這種柔性機(jī)器人的身體被一層纖維包裹，這可以使機(jī)器人保持原有形態(tài)。為了比較不同鱗片形狀對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)效果產(chǎn)生的影響，該團(tuán)隊(duì)的研究人員還研制了三角形鱗片、圓形鱗片和梯形鱗片的柔性機(jī)器人樣機(jī)。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，梯形鱗片的柔性機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)時(shí)可以產(chǎn)生更長(zhǎng)的“步幅”。該柔性機(jī)器人融合剪紙工藝原理，用簡(jiǎn)單的方法實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人更快、成本更低的運(yùn)動(dòng)能力。

圖7 充氣式柔性機(jī)器人Fig.7 Inflatable flexible robot

挪威科技大學(xué)研制了一個(gè)火災(zāi)救援多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人Anna-Konda，如圖8所示［12］。Anna-Konda是第一個(gè)由液壓驅(qū)動(dòng)的多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人，在機(jī)器人的頭部設(shè)置了兩個(gè)滅火劑噴嘴，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，用來(lái)澆滅遠(yuǎn)處的火焰。此外，挪威科技大學(xué)還研制了Aiko和Kullo多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人，如圖9 ～ 10所示。雖然Aiko和Kullo均為無(wú)輪式多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人，但是都可以實(shí)現(xiàn)多步態(tài)運(yùn)動(dòng)方式［13-14］。

圖8 Anna-Konda機(jī)器人Fig.8 Robot“Anna-Konda”

圖9 Aiko機(jī)器人Fig.9 Robot“Aiko”

圖10 Kullo機(jī)器人Fig.10 Robot“Kullo”

挪威的Kongsberg Martitme公司、國(guó)家石油公司與挪威科技大學(xué)共同合作研制出了一款仿生多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人［15］。該機(jī)器人可以在水下靈活地運(yùn)動(dòng)，代替人類完成船體底部或是水下儀器設(shè)備的維護(hù)、修理以及清潔工作，這大幅降低了此類工作所帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。不僅如此，該機(jī)器人頭部可以安裝各種機(jī)械手、攝像頭和照明設(shè)備，所以它能夠在潛水員無(wú)法潛入的危險(xiǎn)水域進(jìn)行探查作業(yè)，收集并反饋水中的環(huán)境信息。不過(guò)由于這一仿生多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人還沒(méi)有完全實(shí)現(xiàn)研發(fā)，需要連接電纜進(jìn)行供電，因此其運(yùn)動(dòng)距離受到一定限制。

以色列Israeli Defense Force目前正以軍事目的研發(fā)仿生多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人。該仿生多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人身體結(jié)構(gòu)柔軟且運(yùn)動(dòng)靈活，能夠在各種狹窄且復(fù)雜的環(huán)境中穿梭，可以適用于各種軍事作戰(zhàn)活動(dòng)。此外，這種仿生多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人也可以被用于災(zāi)后搜查和救援，保障人員財(cái)產(chǎn)和生命安全［16］。

3 國(guó)內(nèi)多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人的研究現(xiàn)狀

3.1 國(guó)內(nèi)其他研究機(jī)構(gòu)

我國(guó)仿生多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人技術(shù)的研究與發(fā)展起步晚，但是在近幾年，我國(guó)研究學(xué)者通過(guò)不斷學(xué)習(xí)與創(chuàng)新，也研制出了多種多樣的仿生多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人，在該技術(shù)領(lǐng)域正逐漸追趕國(guó)際水平。

MA 的抗菌譜廣，對(duì)于青霉素過(guò)敏的患者，可代替青霉素治療 A 群乙型溶血性鏈球菌感染引起的急性鼻竇炎、扁桃體炎和咽炎等，療程一般為10 d 左右。除 A 群乙型溶血性鏈球菌、肺炎鏈球菌外，MA 對(duì)流感嗜血桿菌、葡萄球菌也具有抗菌活性，此外也對(duì)蒼白密螺旋體、淋病奈瑟菌屬、李斯特菌屬、軍團(tuán)菌屬、鮑特菌屬、棒狀桿菌屬、彎曲菌屬和衣原體敏感[8]。

國(guó)內(nèi)第一臺(tái)仿生多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人是由上海交通大學(xué)的崔顯世等于1999年共同研制的，并且此團(tuán)隊(duì)于2008年使該機(jī)器人具有了纏繞的功能［17］。國(guó)防科技大學(xué)于2001年開(kāi)發(fā)出了一款名為NUDT SR的仿生多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人。該機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)最大速度為 20 m/min的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)，并且它可以自由地完成轉(zhuǎn)彎和后退運(yùn)動(dòng)。這一機(jī)器人的頭部安裝了一個(gè)攝像頭，可以采集機(jī)器人附近環(huán)境的圖片信息［18］。

北京航空航天大學(xué)建立了“分布式底層運(yùn)動(dòng)控制―高層中樞決策”的控制邏輯，并于2002年利用正交串聯(lián)結(jié)構(gòu)研發(fā)出了一款名為Solid snake II的仿生多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人［19］。

中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所是國(guó)內(nèi)研究多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人最深入的單位，在馬書(shū)根的帶領(lǐng)下于2004年研制了“勘查者-I”號(hào)多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人［20］。緊接著，巡視者Ⅱ號(hào)機(jī)器人通過(guò)特有的萬(wàn)向節(jié)鏈接，實(shí)現(xiàn)俯仰、偏航和滾轉(zhuǎn)三維轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖11（a）所示［21］。2010年，水陸兩棲多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人探查者Ⅲ號(hào)實(shí)現(xiàn)了陸地蜿蜒、側(cè)向、伸縮、翻滾和水中簡(jiǎn)單游動(dòng)，如圖11（b）所示［22］。

圖11 多種多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人Fig.11 Multi-joint snake robots

上海交通大學(xué)的孫洪對(duì)生物蛇環(huán)繞攀爬樹(shù)木的運(yùn)動(dòng)步態(tài)和運(yùn)動(dòng)受力進(jìn)行了研究和分析，并于2007年開(kāi)發(fā)出了一款名為CSR的仿生多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人，如圖12所示。為保證接觸點(diǎn)的均勻和有效，采用管套式結(jié)構(gòu)，即將各節(jié)的構(gòu)件都套在一個(gè)管子里。選擇PVC管作為管套以減小質(zhì)量，并在外面包裹一層橡膠以增大摩擦系數(shù)。同時(shí)，設(shè)計(jì)了如圖13所示的P-R模塊，相對(duì)于采用傳統(tǒng)的平行連接和正交連接，該連接方式能夠使蛇形機(jī)器人更為靈活地附著于攀爬對(duì)象外壁，并能較任意地調(diào)整步態(tài)和位姿，與被纏繞物體之間能夠密切貼合［23］。

圖12 CSR多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人Fig.12 CSR multi-joint snake robot

圖13 P-R模塊Fig.13 P-R module

北京理工大學(xué)李東方等研制的多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中跟蹤期望的路徑以及運(yùn)動(dòng)步態(tài)和運(yùn)動(dòng)方向的穩(wěn)定控制［24-26］。

3.2 本團(tuán)隊(duì)的研究成果

本團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期在蛇形機(jī)器人的建模、路徑規(guī)劃、軌跡跟蹤等領(lǐng)域開(kāi)展研究，取得了一系列研究成果。在軌跡跟蹤運(yùn)動(dòng)控制研究方面，為了消除傳統(tǒng)步態(tài)函數(shù)對(duì)蛇形機(jī)器人擺動(dòng)幅值調(diào)節(jié)不足的問(wèn)題，提出一種基于改進(jìn)Serpenoid曲線的蛇形機(jī)器人自適應(yīng)軌跡跟蹤控制器，得到了機(jī)器人具有自適應(yīng)時(shí)變擺動(dòng)幅值的軸向彎矩函數(shù)。該方法提高了仿生蛇機(jī)器人的蜿蜒運(yùn)動(dòng)效率，加快了軌跡跟蹤誤差的收斂速度，同時(shí)消除環(huán)境建模不確定性和不充分性的消極影響，避免因環(huán)境變化導(dǎo)致的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡偏離的問(wèn)題［27］。針對(duì)蛇形機(jī)器人的側(cè)滑問(wèn)題，提出改進(jìn)的LOS制導(dǎo)算法，提高了跟蹤誤差的穩(wěn)定性和環(huán)境適應(yīng)性［28-29］。設(shè)計(jì)的仿生蛇機(jī)器人樣機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程如圖14所示。

圖14 蛇形機(jī)器人實(shí)驗(yàn)過(guò)程[28]Fig.14 Experimental process of the snake robot[28]

在蛇形機(jī)器人建模方面，建立了仿生蛇和多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人模型，并在此基礎(chǔ)上研究了蛇形機(jī)器人的水下流固耦合與運(yùn)動(dòng)控制［30-32］。為了使機(jī)器人順利通過(guò)水下狹窄通道，設(shè)計(jì)了基于人工勢(shì)場(chǎng)與浸入邊界-格子Boltzmann方法相結(jié)合的多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人水下流場(chǎng)避障運(yùn)動(dòng)方法，如圖15所示。同時(shí)，更進(jìn)一步研究了多蛇形機(jī)器人在流場(chǎng)中的協(xié)同避障，基于浸入邊界-格子Boltzmann方法設(shè)計(jì)了機(jī)器人在流體中的協(xié)同避障算法，使多蛇形機(jī)器人在改進(jìn)蛇形曲線函數(shù)的控制下協(xié)同避開(kāi)流體中的不同障礙，如圖16所示。

圖15 蛇形機(jī)器人水下避障過(guò)程[31]Fig.15 Underwater obstacle avoidance process of a snake robot[31]

圖16 多蛇形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程[32]Fig.16 The motion process of multiple bionic snake robots[32]

4 不同多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人的分析對(duì)比

4.1 多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式

從實(shí)用性和功能性的角度來(lái)講，S5型號(hào)仿生蛇形機(jī)器人和ACM系列仿生蛇形機(jī)器人分別實(shí)現(xiàn)了仿生蛇形機(jī)器人的二維和三維空間運(yùn)動(dòng)，很好地模仿了生物蛇的運(yùn)動(dòng)方式，這為仿生蛇形機(jī)器人的功能拓展提供了最基本的前提。在實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上，研究人員為仿生機(jī)器人增加了充電、滅火和抓握等功能，由此研制出了蛇形汽車充電器、蛇形滅火機(jī)器人和象鼻仿生機(jī)械臂等產(chǎn)品，同時(shí)這些產(chǎn)品給人們的日常生活帶來(lái)了極大的便利。

隨著仿生蛇形機(jī)器人的蛇體更加靈活，蜿蜒、側(cè)向、伸縮、翻滾以及路徑跟蹤等復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)方式也得以實(shí)現(xiàn)，挪威甚至還研制出了水陸兩棲的多關(guān)節(jié)仿生蛇形機(jī)器人。仿生蛇形機(jī)器人的這些特點(diǎn)與功能使得它在設(shè)備維護(hù)、災(zāi)區(qū)救援、環(huán)境探索和軍事偵察等領(lǐng)域大放異彩，保障了人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全。由此可以看出，仿生蛇形機(jī)器人可以代替人類完成許多危險(xiǎn)且復(fù)雜的任務(wù)，并且其功能特點(diǎn)將會(huì)朝著多元化發(fā)展。

表1 多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)原理與解決的關(guān)鍵問(wèn)題對(duì)比Table 1 Comparison of the motion principles and key problems of the multi-joint snake robots

4.2 多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制

在多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人軌跡跟蹤控制領(lǐng)域，Liljeb?ck等設(shè)計(jì)了多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人的反饋軌跡跟蹤控制器［33］。這種控制器無(wú)法適應(yīng)環(huán)境的變化，這降低了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)效率、增大了機(jī)器人跟蹤誤差的波動(dòng)。為了使多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人適應(yīng)不同的環(huán)境情況，Gang等設(shè)計(jì)了多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人自適應(yīng)軌跡跟蹤控制器，這種控制器有效提高了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)效率，減少了機(jī)器人軌跡跟蹤過(guò)程中的波動(dòng)［34］。為了使多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人實(shí)現(xiàn)變頻工作，Rezapour等設(shè)計(jì)了多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人時(shí)變頻率估計(jì)的軌跡跟蹤控制器，然而，該控制器沒(méi)有考慮外界干擾和側(cè)滑角對(duì)機(jī)器人軌跡跟蹤的影響［35］。此外，Cao等設(shè)計(jì)并優(yōu)化了多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人基于中心模式發(fā)生器控制的自適應(yīng)軌跡跟蹤控制方法［36］。

Ouyang等［37］受脊椎動(dòng)物進(jìn)行生物運(yùn)動(dòng)的啟發(fā)，采用了分級(jí)控制方案。此方案中，使用人工中央模態(tài)生成器來(lái)生成機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模態(tài)。該生成器協(xié)調(diào)所需關(guān)節(jié)角度命令，將它們輸出到每個(gè)較低級(jí)別的執(zhí)行控制器，而運(yùn)動(dòng)可以通過(guò)較高級(jí)別的運(yùn)動(dòng)控制器CPG進(jìn)行控制。由于機(jī)器人的CMAC具有快速學(xué)習(xí)的能力，因此所提出的運(yùn)動(dòng)控制器可以驅(qū)動(dòng)機(jī)器人跟蹤預(yù)期的軌跡且具有抗干擾能力。Rezapour［38］等使用部分反饋線性化的方式將蛇形機(jī)器人系統(tǒng)中的直接驅(qū)動(dòng)部分線性化。隨后，分兩步設(shè)計(jì)控制器，第一步，使用滑模技術(shù)為機(jī)器人的關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)魯棒跟蹤控制器，以跟蹤所需的步態(tài)模式。第二步，為機(jī)器人的欠驅(qū)動(dòng)配置變量設(shè)計(jì)了一個(gè)滑模面，從而確保蛇形機(jī)器人可以收斂到期望路徑。

實(shí)現(xiàn)多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人軌跡跟蹤過(guò)程需要完成兩大控制目標(biāo)，分別是動(dòng)態(tài)控制目標(biāo)和角度控制目標(biāo)。動(dòng)態(tài)控制目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)可以保證機(jī)器人在期望路徑上不會(huì)偏離預(yù)定的軌跡。角度控制目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)一方面可以保證機(jī)器人的連桿能夠以一定的頻率和幅度擺動(dòng)，這種擺動(dòng)產(chǎn)生的摩擦力為機(jī)器人提供動(dòng)力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的蜿蜒前進(jìn)運(yùn)動(dòng)，另一方面可以保證機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向與期望運(yùn)動(dòng)方向相同。如果沒(méi)有動(dòng)態(tài)控制目標(biāo)的支撐，機(jī)器人的蜿蜒運(yùn)動(dòng)就偏離了既定路線。簡(jiǎn)而言之，動(dòng)態(tài)控制目標(biāo)控制機(jī)器人的位置，角度控制目標(biāo)包括連桿角度控制目標(biāo)和關(guān)節(jié)角度控制目標(biāo)，角度控制目標(biāo)控制機(jī)器人的蜿蜒運(yùn)動(dòng)和前進(jìn)方向，只有同時(shí)完成動(dòng)態(tài)控制目標(biāo)和角度控制目標(biāo)，多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人才能實(shí)現(xiàn)完整的軌跡跟蹤運(yùn)動(dòng)［39-40］。

5 多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人的發(fā)展方向

近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)外的研究者們都對(duì)仿生多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人的發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)，他們從軍事用途、水下作業(yè)、災(zāi)后救援、環(huán)境勘察、汽車充電、自主避障等角度設(shè)計(jì)出了具有不同樣式和功能的仿生多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人。這些仿生多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人從最開(kāi)始的二維蜿蜒運(yùn)動(dòng)方式發(fā)展到三維的運(yùn)動(dòng)步態(tài)，實(shí)現(xiàn)了前進(jìn)、后退、加速、側(cè)移、攀爬、抓取等運(yùn)動(dòng)方式，這極大地提高了仿生多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人的適應(yīng)性和實(shí)用性。但是，蛇形機(jī)器人仍有許多問(wèn)題需要進(jìn)一步研究和探討，特別需要關(guān)注復(fù)雜、多任務(wù)場(chǎng)景下的控制問(wèn)題，包括自主導(dǎo)航和避障技術(shù)、傳感技術(shù)、編隊(duì)控制技術(shù)等，主要體現(xiàn)如下：

（1）自主導(dǎo)航與避障：蛇形機(jī)器人作為一種非常靈活的機(jī)器人形態(tài)，自主導(dǎo)航和避障技術(shù)對(duì)其發(fā)展至關(guān)重要。未來(lái)，隨著自主導(dǎo)航和避障技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，蛇形機(jī)器人可以應(yīng)用更先進(jìn)的SLAM技術(shù)，使其可以在未知環(huán)境中自主定位和導(dǎo)航。同時(shí)，將人工智能和機(jī)器視覺(jué)技術(shù)應(yīng)用于蛇形機(jī)器人的避障中，使其可以更加智能地避開(kāi)障礙物。

（2）多傳感器融合技術(shù)：蛇形機(jī)器人可以搭載多種不同類型的傳感器，例如視覺(jué)傳感器、紅外線傳感器、超聲波傳感器等。未來(lái)，蛇形機(jī)器人可以通過(guò)多傳感器融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)更加準(zhǔn)確、全面的感知和決策。

（3）編隊(duì)控制技術(shù)：隨著蛇形機(jī)器人應(yīng)用場(chǎng)景越加廣泛，單個(gè)機(jī)器人的能力是有限的，難以應(yīng)對(duì)多任務(wù)的復(fù)雜情形。在蛇形機(jī)器人的群體協(xié)作中，每個(gè)機(jī)器人都可以視為一個(gè)智能體，可以根據(jù)任務(wù)需求進(jìn)行不同的行為決策，實(shí)現(xiàn)更加智能的群體行為。例如，可以通過(guò)領(lǐng)導(dǎo)者-跟隨者的模式來(lái)控制群體的行動(dòng)，或者通過(guò)協(xié)同探索的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)群體決策。

6 結(jié)束語(yǔ)

各國(guó)的研究人員和學(xué)者在近幾年不僅制造出了形態(tài)各異、功能多樣的仿生多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人樣機(jī)，同時(shí)還為機(jī)器人的路徑規(guī)劃和避障控制提出了許多有創(chuàng)造性的算法?？梢哉f(shuō)，全球的仿生多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人在樣機(jī)制造和理論研究上都取得了豐厚的成果。這些仿生多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人，有的依靠多關(guān)節(jié)的被動(dòng)輪與地面產(chǎn)生的摩擦力來(lái)實(shí)現(xiàn)生物蛇一樣的二維蜿蜒運(yùn)動(dòng)，有的依靠正交連接的關(guān)節(jié)和模塊化設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)三維攀爬運(yùn)動(dòng)，有的可以通過(guò)模塊單元的重組改變自身的形狀，有的能夠安裝外部設(shè)備并完成水下作業(yè)。而這些仿生多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人的實(shí)現(xiàn)都離不開(kāi)路徑規(guī)劃和避障算法的支持。近年來(lái)，路徑規(guī)劃和避障算法也如雨后春筍般出現(xiàn)。這些算法有的是對(duì)過(guò)去算法的優(yōu)化和創(chuàng)新，也有的是受到遺傳、蟻群和神經(jīng)的啟發(fā)而提出的。這些算法的提出為未來(lái)新的路徑規(guī)劃和避障算法的創(chuàng)新和發(fā)展指明了方向，同時(shí)也為仿生多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人的路徑和避障控制做好了算法上的準(zhǔn)備。當(dāng)然，我們要根據(jù)所設(shè)計(jì)的仿生多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人的需求選擇合適的算法，這樣的結(jié)合才能夠最大程度地發(fā)揮機(jī)器人的作用，進(jìn)一步提高多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人的適應(yīng)性和實(shí)用性。