蛇形機器人

蛇形機器人 ^[1]  ，是一種能夠模仿生物蛇運動的新型仿生機器人。由於它能像生物一樣實現“無肢運動”，因而被國際機器人業界稱為“最富於現實感的機器人”。日本東京科技大學於1972年研製出世界上第一條蛇形機器人，其速度可達40釐米/秒。而美國的蛇形機器人研究則代表了當今世界的先進水平。2000年10月，美國航空航天局在加利福尼亞裝備研製中心展示了一種用於外太空探險的蛇形機器人，它能在一些複雜地形行走時如履平地，運動十分靈活，並具有探測、偵探等多種功能。

大自然不僅僅賦予人類生命和豐富的自然資源，而且其豐富的生命形態給予了人類無窮無盡的啓迪，讓人們充分地利用自然和改造自然。這些啓迪加上人類的聰明才智使科學技術不斷進步，推動人類社會發展。從小鳥的展翅飛翔，到形狀各異的風箏，還有後來更為先進的飛機。從蝙蝠的夜間疾飛到當今軍事和民航上至關重要的雷達系統，都充分體現了研究生物系統對科學技術發展的重大貢獻。模仿和探索大自然中生物的運動和功能，理解和獲取有利的運動和控制原理，促使了仿生學的出現和發展。仿生學是20世紀60年代出現的一門綜合性邊緣學科，它由生命科學和工程技術科學相互滲透、相互結合而成。可以説仿生學的研究對科學技術和社會的發展起着舉足輕重的作用。仿生系統以其能體現和再現生命特徵成為現代研究的重點課題。生命系統的自主運動和適應能力的物理實現不僅能夠把人從繁重、危險、單調乏味的工作環境中解脱出來，而且能夠代替人在危險場合完成複雜作業。仿生學將生命原理應用到工程系統的研究和設計中，尤其對當今日益發展的機器人學科起到了巨大的推動作用，促進了仿生機器人領域的蓬勃發展。

在絕大多數人眼中，蛇是一種可怕的動物，甚至有很多人不願意提及或看到這種動物。從聖經上的關於蛇的描寫到伊索寓言中農夫和蛇的故事，無不反映出蛇陰險和可怕的一面。當然它本身與眾不同的移動方式，也使人們產生恐慌和害怕，從而避而遠之。其實蛇是非常有益於人類的動物，它可以消滅老鼠等害蟲，而且對於整個生態平衡起着至關重要的作用。當然本文並不是研究生物蛇和人類的關係，而是根據蛇的生理結構和運動特點，設計和研究蛇形機器人的結構和運動，是從仿生學的角度出發研製有利於人類社會的機器人。當代機器人的研究領域己經從結構環境下的定點作業向非結構環境下的自主作業發展。機器人被急切需要應用到環境複雜、高度危險和人類無法進入的場合完成作業。除了傳統的車型設計方法外，機器人學者把目光轉向了生物界，力求從具有各種運動特徵的動植物上獲得啓發，設計新的仿生機器人。蛇形機器人就是在這種條件下孕育而生的。蛇的各種獨特的運動特性賦予蛇形機器人以多種功能。蛇形機器人不但能夠適應各種複雜地形，能夠平均分配自己的體重，還具有自封閉的結構等特點使其吸引了國內外眾多機器人學研究人員展開了對蛇形機器人的研究。

蛇形機器人的研究開創了仿生機器人研究的新領域，同時由於蛇形機器人的廣泛應用前景，世界上各個國家的機器人愛好者紛紛開始了蛇形機器人的研究。關於蛇形機器人的研究，美國和日本走在前列，此外加拿大、英國、瑞典、澳大利亞等國也都在開展這方面的技術研究。

從仿生學的角度，第一代蛇形機器人結合機器人動力學和摩擦學等的相關理論，建立的蛇的行波運動學模型，並研製的機器蛇樣機—— SolidSnake，並利用SolidSnake實現了蛇的蠕動、遊動、側移、側滾、抬頭、翻越障礙物等運動形式。

SolidSnake利用垂直和水平方向正交的關節來擬和蛇類生物柔軟的身體，每兩個正交的關節組成一個單元體，每個單元體相當於一個萬向節，具有兩個方向的自由度，整體形成一個高冗餘度的結構體。這樣的機構設計使蛇體具有向任何方向彎曲的能力。第二代蛇形機器人SolidSnake II蛇形機器人充分考慮了蛇類生物的運動特點，從仿生學的角度，結合機器人動力學和摩擦學等的相關理論，建立了基於行為控制理論的蛇類運動學模型，把蛇類生物的複雜運動形式化解為局部的、簡單的運動形式。採用模塊化設計思路，每個關節均可很容易進行拆卸。機器蛇的8個關節整體形成一個高冗餘度的結構體，很容易模仿實現蛇體的複雜運動形式。為了減少機器蛇的運動中的摩擦阻力，在機器蛇兩側安裝有從動輪，實現了蛇體的平穩遊動，增強了蛇形機器人的靈活性和機動性。採用輕型耐磨塑料製造蛇形機器人的主要結構，既減輕了蛇體的重量，又降低了加工的成本。

SolidSnake II蛇形機器人設有多項預留位置，如配備局部控制器、位置及力矩侍服器、從動輪鎖死裝置等配套裝置，可實現機器蛇環境識別和自主運動。在機器蛇的頭部配置有紅外線探測頭，可反饋對環境的監視數據。

在電路設計上採用485總線聯接。上位機為PC機控制，通過對總線的定時輪詢來實現隨時插拔關節。此設計能方便地實現替換任意關節，能根據不同任務隨時拆卸安裝新的關節，甚至實現帶電插拔，極大的增強了蛇形機器人的可靠性和耐用性。

並且，SolidSnakeII搭建了完善的軟硬件開發平台，為後續的研究開發奠定了堅實的基礎。隨着研究的深入展開，蛇形機器人研究與應用一定會有更廣闊的天地。

上個世紀七十年代，日本東京工業大學的Hirose教授就已經開始了蛇形機器人的研究。Hirose教授於1972年研製了第一台蛇形機器人（ActiveCordMechanism-ACMIII）。該機器人的總長為2m，具有20個關節，依靠伺服機構來驅動關節左右擺動。為與地面有效地接觸，該機器人的腹部安裝了腳輪。該機器人的最大速度為40cm/s，只能在平面上運動。繼第一台蛇形機器人之後，Hirose教授的研究室又先後研製了一系列的蛇形機器人。ACM-R3是最近的研究成果，ACM-R3機器人採用完全無線控制的方式，每個關節自帶電源。而且ACM-R3為三維結構，能夠在三維環境中運動和完成複雜的三動作。

日本的NEC公司的Takanashi研製了剛性關節連接的蛇形機器人，該機器人的機構採用了特殊的關節結構，具有6個管狀的連桿，長1.4m，直徑42mm，重4.6kg，能夠實現三維空間運動，可以應用在危險情況下的勘查和營救工作。

NASA的JPL採用了NEC的蛇形機器人結構設計了一種Serpentine robot，該機器人約1m長，直徑4cm，重量為3.18kg，具有12個自由度，主要是完成在存在障礙物的環境中的操作任務

德國的GMD研製了蛇形機器人。該機器人採用繩索驅動，具有較好的柔性。此外，在蛇形機器人上安裝了紅外線傳感器來檢測環境信息。

此外，還有很多蛇形機器人先後被開發，這裏就不一一介紹了。

挪威最新研究成果

挪威科技工業研究院(SINTEF Research Institute)已經設計出一種用於火星表面探測的蛇形機器人，目前正在努力改進。這種機器人形體類似於蛇，並能夠像蛇一樣穿越幾乎所有障礙。

研究人員認為，這種蛇形機器人可以成為火星探測的極好工具，ESA 似乎也同意這一點。SINTEF剛剛從歐洲太空總署(European Space Agency，簡稱ESA )獲得了50萬挪威克朗(約合85,000美元)的資金，用於研製這種蛇形機器人。

SINTEF的研究人員表示，蛇形機器人將不會取代已有的火星探測工具火星車(Mars Rover)，他們正在尋找一種能夠讓這兩種工具共同工作的方式。

“我們正在研究在幾個備選方案，使火星車和蛇形機器人能夠在一起工作。由於火星車具有強大的能源裝置，它可以通過電纜為蛇形機器人提供能源。如果蛇形機器人不得不使用其自己的電池，它將很快耗盡能量，那樣我們就會失去它。 “SINTEF高級研究科學家Aksel Transeth解釋説。

“有一種選擇是將蛇形機器人裝進火星車的機械臂中，並使它具備與該機械臂斷開連接和重新連接的能力，這樣它就可以降落到火星表面，並進行獨立活動。 ”Transeth補充説。

對研究人員來説，這將是一個理想的方案。這個方案允許火星車進行遠距離旅行，而讓蛇形機器人去探索那些難以靠近的地方。蛇形機器人可以憑藉自身的能力鑽孔、爬懸崖或者進入狹窄的裂隙去進行探測活動。

在理想的情況下，蛇形機器人不僅能火星車一同工作，而且能夠幫助它脱離困境。

“蛇形機器人和火星車的聯合也意味着，如果火星車被卡住了，蛇形機器人將能夠協助它擺脱困境。”SINTEF高級研究員PAL Liljebäck 説，“當火星車被困，蛇形機器人可以降落到地面，並圍繞周圍的岩石轉圈，使火星車能夠通過電纜絞車的方式擺脱束縛。”

SINTEF還沒有製造出這種蛇形機器人蛇的活動原型。但研究人員説，這項工作將在幾個月內完成。 ^[2] 

2024年3月，美國加州理工學院噴氣推進實驗室的一個機器人專家團隊，與卡內基梅隆大學機器人研究所科學家合作，開發出一種蛇形機器人，用於調查土星第六大衞星土衞二的地形，以尋找生命的“蛛絲馬跡”。相關研究論文發表於新一期《科學·機器人學》雜誌。 ^[3] 

在我國，蛇形機器人的研究剛剛起步，但是進步較快。哈爾濱工業大學機器人研究所，上海交通大學等單位首先進行了蛇形機器人仿生方面的一些研究工作。上海交通大學崔顯世、顏國正於1999年3月研製了我國第一台微小型仿蛇機器人樣機，該機構由一系列剛性連桿連接而成，步進電機控制相鄰兩剛性連桿之間的夾角，使連桿可以在水平面內擺動，樣機底面裝有滾動軸承作為被動輪，用以改變縱向和橫向摩擦係數之比，其後又相繼作了一些相關的理論研究。2002年，國防科學技術大學研製了一個蛇形機器人樣機，該樣機不但可以實現平面內運動，而且採用密封外皮後，能在水面上實現蜿蜒運動。

中科院瀋陽自動化所機器人重點實驗室也開始了蛇形機器人的研究，並提出一種新型蛇形機器人結構，可實現多種適應環境的平面和空間運動形式，並作了深入的理論研究。瀋陽航天航空大學等單位也開始蛇形機器人的相關研究工作。

蛇形可重構機器人系統的研究已經引起了很多研究者的留意，仍需進一步研究的內容主要在以下幾個方面：

（1）蛇形機器人系統中模塊的功能．設計及實現方法．包括機器人的功能分析和功能的分配，模塊的軟、硬件功能分析，模塊描述方法的研究，軟、硬件模塊的設計，軟、硬件模塊自動或快速連接方法的研究．

（2）蛇形機器人的構形設計．包括機器人所需完成任務描述方法的研究，機器人構形表達方法的研究，機器人最優構形天生方法的研究．

（3）蛇形機器人的運動學和動力學研究應主要考慮軟件的可重構性．包括模塊運動學和動力學的分析方法，分佈式模塊機器人運動學和動力學分析方法的研究．

（4）研究適用於可重構蛇形機器人系統的可重構實時控制軟件．包括機器人控制模塊的功能分析和劃分方法的研究，軟件重構方法的研究．

蛇形機器人具有很多優點，能夠應用到很多複雜和危險的環境中。雖然蛇形機器人的研究尚處在實驗階段，但蛇形機器人有廣泛的應用前景。蛇形機器人可以應用到但不僅僅侷限在以下各領域:

（1）科學探險和狀況檢查:代替或部分代替人去完成危險環境中的作業是研製機器人的主要目的之一。科學探險是科學家探索大自然奧秘和豐富地質資源的有利手段，但常常因為環境和氣候惡劣，無法到達目的地完成指定的探險任務。非結構環境下的作業和運動對機器人的性能和運動形式提出了非常嚴格的要求。

（2）防恐防爆和災難救援:自美國紐約的911事件之後，防恐防爆成為各個國家維護國家安全和人民生命財產不受侵害的主題。機器人學的研究人員製作了形式各異的機器人來代替人去完成防恐防爆和救援傷員的任務。蛇形機器人也適合於完成災難救援任務。特別是蛇形機器人身體的各個部分都與地面接觸，對地面的壓力均勻而且非常小，適合在災難後的危險建築中運動和搜救。這些災難主要包括:地震、爆炸、地質陷落、龍捲風和火災等等。

（3）醫療:設計小型的移動機器人，進入人體器官(如腸道、血管)完成手術和定點給藥是機器人研究的一個新的熱門領域。如果將蛇形機器人做得非常小，就可以進入人體的腸道完成作業。

（4）航空航天:神州五號飛船的順利返航證明了中國在航空航天方面堅實的科學實力。探月工程的啓動表明中國政府探索外星系的決心和信心。正像美國的勇氣號和機遇號機器人在火星上執行作業一樣，探月工程也需要機器人來完成各種作業。蛇形機器人有望在這方面得到應用。

（5）危險環境作業:能夠用身體移動和操作是蛇形機器人有別於其它移動機器人的一大特性。它可以穿越狹小空間、進入危險環境，然後完成操作任務。安裝合適的傳感器後，也可以應用蛇形機器人來完成排雷任務。

（6）軍事:蛇形機器人本身體形細小，加上合適的偽裝後，便於隱身。此外，如果蛇形機器人的每個單元都安裝上傳感器，那麼它可以用甩掉關節的辦法來佈置傳感器，形成一個大型的信息系統。

（7）作為操作手:將蛇形機器人的一端固定，那麼它就變成一個具有冗餘自由度的操作手，可以完成複雜的抓取動作。例如:狹小空間的操作，複雜環境下的避碰操作等等。

綜上所述，蛇形機器人的研究對很多重要領域有着極其重要的意義。但我國在蛇形機器人的研究還在發展階段，還需要進一步地發展。