蛇形機(jī)器人研究現(xiàn)狀

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1、機(jī)電控制基礎(chǔ)與實(shí)踐（北航，沈陽自動(dòng)化所，國防科大，國外）王田苗丑武勝北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所探索生物學(xué)、仿生學(xué)、新材料、智能控制等方面深刻機(jī)理。開展多學(xué)科交叉領(lǐng)域的技術(shù)研究，通過綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，推動(dòng)機(jī)械設(shè)計(jì)、傳感器技術(shù)、伺服控制、人工智能、計(jì)算機(jī)科學(xué)等技術(shù)發(fā)展。從事繁重勞動(dòng)、危險(xiǎn)作業(yè)、延伸人類大腦與四肢、醫(yī)療康復(fù)等，服務(wù)于社會(huì)。研究意義－手腳，撲翼，游動(dòng)，蠕動(dòng)什么是微小型仿生機(jī)器人技術(shù)？沒有嚴(yán)格定義模仿自然界動(dòng)物與人的行為，基于微小型機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，研究機(jī)構(gòu)、感知、控制與交互的機(jī)器人技術(shù)。微小型，尺寸相對較小，低功耗，

2、高性能，微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿生，模仿自然界動(dòng)物與人機(jī)器人，幫助人類完成搬運(yùn)、焊接、裝配等任務(wù)的可編程控制機(jī)械裝置或系統(tǒng)，希望具備感知、規(guī)劃、控制、交互的功能定義發(fā)展趨勢仿生多樣應(yīng)用日本京都大學(xué)研制的蛇形搜救機(jī)器人“莫伊拉”仿生機(jī)構(gòu)日本東京工業(yè)大學(xué)研制的廢墟搜索機(jī)器人北航SOLIDSNAKE蛇形機(jī)器人概述近幾年來，仿生機(jī)器人學(xué)正在機(jī)器人領(lǐng)域占有越來越重要的位置。對于障礙物眾多、凸凹不平、以及狹窄地形等環(huán)境，類似蛇形的機(jī)器人有較大的運(yùn)動(dòng)優(yōu)勢，可以滿足多種用途。北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所依托在仿生學(xué)領(lǐng)域取得的研究成果，結(jié)合國內(nèi)

3、外蛇形機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀，發(fā)展了SolidSnake蛇形機(jī)器人。SOLIDSNAKEIISolidSnakeII蛇形機(jī)器人充分考慮了蛇類生物的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，從仿生學(xué)的角度，結(jié)合機(jī)器人動(dòng)力學(xué)和摩擦學(xué)等的相關(guān)理論，建立了基于行為控制理論的蛇類運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，把蛇類生物的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)形式化解為局部的、簡單的運(yùn)動(dòng)形式。采用模塊化設(shè)計(jì)思路，每個(gè)關(guān)節(jié)均可很容易進(jìn)行拆卸。機(jī)器蛇的8個(gè)關(guān)節(jié)整體形成一個(gè)高冗余度的結(jié)構(gòu)體，很容易模仿實(shí)現(xiàn)蛇體的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)形式。為了減少機(jī)器蛇的運(yùn)動(dòng)中的摩擦阻力，在機(jī)器蛇兩側(cè)安裝有從動(dòng)輪，實(shí)現(xiàn)了蛇體的平穩(wěn)游動(dòng)，增強(qiáng)了蛇形機(jī)器人

4、的靈活性和機(jī)動(dòng)性。采用輕型耐磨塑料制造蛇形機(jī)器人的主要結(jié)構(gòu)，既減輕了蛇體的重量，又降低了加工的成本。硬件結(jié)構(gòu)SolidSnakeII蛇形機(jī)器人設(shè)有多項(xiàng)預(yù)留位置，如配備局部控制器、位置及力矩侍服器、從動(dòng)輪鎖死裝置等配套裝置，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器蛇環(huán)境識(shí)別和自主運(yùn)動(dòng)。在機(jī)器蛇的頭部配置有紅外線探測頭，可反饋對環(huán)境的監(jiān)視數(shù)據(jù)。在電路設(shè)計(jì)上采用485總線聯(lián)接。上位機(jī)為PC機(jī)控制，通過對總線的定時(shí)輪詢來實(shí)現(xiàn)隨時(shí)插拔關(guān)節(jié)。此設(shè)計(jì)能方便地實(shí)現(xiàn)替換任意關(guān)節(jié)，能根據(jù)不同任務(wù)隨時(shí)拆卸安裝新的關(guān)節(jié)，甚至實(shí)現(xiàn)帶電插拔，極大的增強(qiáng)了蛇形機(jī)器人的可靠性和

5、耐用性。蛇形運(yùn)動(dòng)SolidSnake蛇形機(jī)器人在計(jì)算機(jī)的控制下實(shí)現(xiàn)了蠕動(dòng)前進(jìn)（后退）、游動(dòng)前進(jìn)（后退）、側(cè)移、抬頭，可在一定程度上實(shí)現(xiàn)自主運(yùn)動(dòng)。擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)SolidSnakeII搭建了完善的軟硬件開發(fā)平臺(tái)，為后續(xù)的研究開發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。隨著研究的深入展開，蛇形機(jī)器人研究與應(yīng)用一定會(huì)有更廣闊的天地。沈陽中科院自動(dòng)化所－蛇形機(jī)器人原理樣機(jī)樣機(jī)具有模塊化、可重構(gòu)的特點(diǎn)，蛇形機(jī)器人原理性樣機(jī)能實(shí)現(xiàn)了蜿蜒、伸縮、上坡、跨障礙、側(cè)行、翻滾等運(yùn)動(dòng)。蛇形機(jī)器人功能樣機(jī)設(shè)計(jì)圖實(shí)物照片蛇形機(jī)器人實(shí)驗(yàn)樣機(jī)Ⅱ型控制板Ⅰ型控制板鉆洞探查室內(nèi)探

6、查抬頭運(yùn)動(dòng)爬坡運(yùn)動(dòng)國防科大－蛇形機(jī)器人新型反恐機(jī)器人－蛇形機(jī)器人模塊化、可重組機(jī)器人是在蛇形機(jī)器人的基礎(chǔ)上更進(jìn)一步，模塊化和可重組的結(jié)合意味著：機(jī)器人具有更好的經(jīng)濟(jì)性和可靠性；機(jī)器人具有運(yùn)動(dòng)形式和功能上的多樣性；機(jī)器人能適應(yīng)多種復(fù)雜環(huán)境，可完成的任務(wù)種類更多。蛇形機(jī)器人蛇形機(jī)器人是一種模仿蛇類蜿蜒運(yùn)動(dòng)的仿生機(jī)器人，它不同于傳統(tǒng)的輪式或足式機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了類似于生物蛇的“無肢運(yùn)動(dòng)”，這是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式上的一大進(jìn)展。蛇形機(jī)器人具有類似蛇的狹長體態(tài)，運(yùn)動(dòng)方式獨(dú)特，因此具有著廣闊的應(yīng)用前景模塊化、可重組機(jī)器人主要功能該樣機(jī)長1.

7、0米左右，由多個(gè)結(jié)構(gòu)和功能完全相同的模塊構(gòu)成。蛇形機(jī)器人主要功能蛇形機(jī)器人自身還攜帶無線攝像機(jī)，可以將現(xiàn)場環(huán)境實(shí)時(shí)傳回主控室，控制人員可以無線遙控指揮蛇機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。蛇形機(jī)器人主要功能該樣機(jī)長1米左右，每分鐘可爬行１５.６米，能做前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、變速等動(dòng)作模塊化、可重組機(jī)器人主要功能能組成蛇形構(gòu)形蛇形機(jī)器人主要功能可在普通路面、草地等環(huán)境中爬行蛇形機(jī)器人主要功能穿上“蛇皮”后還可在水中自由游動(dòng)模塊化、可重組機(jī)器人國內(nèi)外機(jī)器蛇設(shè)計(jì)特點(diǎn)美國宇航局(NASA)NASA于1999年開始研究多關(guān)節(jié)的蛇形機(jī)器人國內(nèi)外機(jī)器蛇設(shè)計(jì)特

8、點(diǎn)德國人Gavin.H從約1997年開始從事蛇形機(jī)器人的研究工作，到目前為止共設(shè)計(jì)并制作了S1,S2,S3,S4,S5五代蛇形機(jī)器人，圖2為S5國內(nèi)外機(jī)器蛇設(shè)計(jì)特點(diǎn)德國GMD國家實(shí)驗(yàn)室也開發(fā)出了基于模塊式結(jié)構(gòu)和CAN總線的蛇形機(jī)器人，其結(jié)構(gòu)為三維關(guān)節(jié)仿生動(dòng)物（蟒蛇、水蛇、可重構(gòu)）理論方法問題，仿生靜態(tài)與動(dòng)態(tài)模型，復(fù)雜模型計(jì)算方法，