条带状机器人研究意义与现状

摘  要：条带状机器人属于特种机器人范畴，目前科技发展和人们生活环境的多元化，急需要对该类机器人加大研究开发力度。该领域现有的技术手段和研究方向也才产生了多种分支。文中简述了条带状机器人的研究意义和研究现状。

关键词：条带状;机器人;研究现状

1、条带状机器人研究意义

机器人是当前世界各国人民生产与生活中应用越来越广泛的设备。在地质灾害收救及军事任务中，特殊的地面环境对工作人员的行动起到极大的阻碍作用。这为机器人领域的研究进步带来了巨大的动力。传统上的中小型机器人主要有轮式机器人和履带式机器人与各种各样的仿生机器人。综合比较而言，条带状机器人是一种特殊的仿生机器人，所具备的优势如下：

a、条带状机器人可紧贴附着物运动，进而具有较低的重心，行进过程相对稳定;

b、条带状机器人的特殊的体型造就了它可以适应复杂运动环境;

c、条带状机器人运动能耗低。

条带状机器人凭借其独特的构造，能够适应复杂多变的环境特点，成为目前机器人研究领域的一个重要组成部分。尤其是条带状机器人的形体优势在军事领域很容易应对战场侦察，危险场所的巡检，定向目标打击等，同时条带状机器人在民用产业也拥有广阔的前景，如矿井气体检测，各类管道的检测，核电厂辐射监测等工作人员不易到达的环境或场所，都可以使用成本较低的蛇形机器人进行相关任务的执行。例如采用条带状机器人完成清堵任务。由于下水道空间小，下水道内污物多，并且多数下水管深埋于地下。尤其是在城市中，很多下水道深埋于路基下，下水道堵塞清理工作是一项较大的工程问题。传统上人们需要将道路挖掘开来分段对堵塞位置检查。目前国内外主要研究使用履带式机器人完成该类工作，由于自身结构限制，履带式机器人主要停留在大空间下水道堵塞研究领域，其局限性非常大。为解决各类尺寸的下水道堵塞，可由条带状机器人完成下水道的堵塞位置寻找，并完成堵塞处的疏通工作。

2、条带状机器人现状和发展

条带状机器人最先被国外科研人员开发应用，上世纪七十年代，日本东京工业大学研究人员最先对蛇类的运动步态进行了研究。同时，率先打开了智能条带状机器人的研究大门，紧接着美洲、欧洲、亚洲多国开展了条带状机器人在不同领域的研究，并产生多个研究方向的分化，在过去的几十年间条带状机器人的理论研究呈现出多样化，人们根据特定的目标展开了不同领域的研究。国内外在条带状机器人的理论领域产生丰富的研究成果，主要包含形状结构、运动学模型、动力学模型、步态控制与稳定性分析五方面。目前条带状机器人在工程技术领域衍生出多种结构类型，存在的主要特点有：拖尾（电源线），多电机组，有轮等。多数的条带状机器人主要采用一系列的电机组构建条带状机器人本体，运动缺乏灵动性;并且不能在大负荷的条件下完成相关的任务执行，主要停留在现场侦察和数据收集领域，在实际应用领域未能解决能耗问题带来的限制，依靠外部电缆和信号控制线，极大的制约了该类机器人的使用功能和领域。

2.1 国内条带状机器人现状和发展

国内研究人员在条带状机器人理论与模型设计等方面上也取得了较为丰厚的成果。李立等[1]，通过 Morison 算法创立了蛇形机器人的水力学结构模型。针对机器人水下运动的速度进行了一系列的仿真验证。尤其是三维步态控制各关节的相对转角，实现机器人身体相应部位的灵活转向动作。把条带状机器人分为多个关节，通过调控各个关节的转角实现机器人整体运动，并且采用了闭环控制增强了可控性。该团队数据展示，在机器人前进过程中，机器人头部运动状态能够得到有效的控制。郭宪等[2]从微分几何角度分析入手将带有被动轮的蛇形机器人将动力学方面因素投影到速度分布空间内，完成了控制中心与动力学相统一的系统体系。魏武等[3]通过生物蛇对绳、缆攀爬运动状态，使用迭代链拟合算子与帧提取技术，针对蛇身曲线运动过程进行拟合，产生类似的运动步态。卢振利等[4、5]根据神经网络模型的特点，组建了反馈抑制发生器（CPG），到达了对蛇形机器人多步态控制。主要包含二维、三维控制，并能够完成相应的步态切换。在此又进一步研究构建了深层次化CPG模型，优化蛇形机器人三维运动状态的控制，减少了蛇形机器人对动力模型的依赖性。通过控制中心输出不同的信号，完成对蛇身关节转动控制，进而满足机器人的蜿蜒运动。王智锋等从能量传送的规律入手，提出了被动蜿蜒控制方式，可以让机器人被动检测环境数据，通过自身能量状态实现对外部环境的适应[6]。经过对单向连接CPG模型的推算分析，给出新的反馈式CPG模型，分析了CPG数据在蜿蜒运动中的作用，经过仿真与实验两方面论证了步态控制CPG模型[7]。唐超权等通过对蛇形机器人运动过程中存在的参数和机器人各个关节动作的幅值做参考，设计出了多模态中枢模式发生器控制策略;并通过建立外部激励与模型参数之间的约束，使得条带状机器人在多模态中枢模式发生器控制下具有三维 运动能力以及相应的环境适应能力[8]。

2.2  国外条带状器人技术现状和发展

多数的条带状机器人研究团队通过對蛇类或带鱼类的运动步态作为研究依据，但是该类仿生机器人模仿对象存在运动状态的多元化，但很难设计出够复制所有运动步态的类型机器人。大多数条带状机器人采用车轮结构完成横向运动。虽然有些条带状机器人的设计考虑到一定的蛇类或者带鱼类部分运动步态，如能横向起伏，但往往不能够灵活执行其相应运动步态。不过，这些机器人可以使用额外的运动步态模式如滚动。

希罗斯的RST机器人，有源绳索机构（ACM）在1972开发，使用被动轮[9]。他随后研制了ACM II和ACM III [10]。希罗斯此后进一步对ACM R3机器进行了升级改造如图1。在机器蛇的各关节侧面装有驱动轮。新的设计能够抬起车身穿越低障碍物，采用车轮自由滚动穿越障碍。

Komura [11]开发的ACM R8是在ACM系列中开发的机器人。ACM R8是ACM R4.2的继承者，属于主动轮条带状机器人。ACM-R8机器人的主要目标是能够爬出比自身更高的台阶，并且具有与环境交互的潜力，比如操作门把手。Komura得出结论，条带状机器人特别擅长爬楼梯，并且具有抓握能力。但是该机器缺乏相应的环境检测处理装置，机器人的实用性有待提高。2016 Hosei university[12]开发了一种基于自动台面设计的蛇形机器人。半自主、串联式多履带机器人是用于城市搜救作业的机器人。它是电池供电和遥控，目的是易于使用未经训练的救援人员。因此，远程控制宏操作，而机器人被动地控制关节以避免碰撞。机器人没有传感器，而是使用给定的长度线来约束关节，使得机器人将围绕障碍物变形并继续沿着期望的方向运动，这使得机器人易于操作。

2010 Liljeba¨ck改进设计出 e Kulko蛇形机器人，是一种具备穿越障碍物的蛇形机器人[13 ]。Liljeba¨ck认为要想实现智能穿过障碍物，蛇形机器人不仅需要光滑的外表面也需要灵敏的力学传感系统。基于这两点的考量，Kulko设计了球形的蛇形机器人关节，构造了蛇形机器人光滑的外表，并在蛇形机器人内部安装了接触式力学传感器。尽管设计的机器蛇的精度不高，无法进行精确的测量，但足以精确地确定蛇形机器人与地形的接触位置，这样使得机器人做出智能决策以帮助其推进。Eelume是一种水下模块条带状机器人，用于石油和天然气工业中的商业用途，执行检查、维护和维修。EelMuu使用蛇形步态结合推进器来推进自身运动 [ 14 ]。模块化条带状机器人是由莱特于2007在卡内基梅隆大学设计的[ 16 ]。各模块与前模块能够形成90度到0度，使其适合自然的直线运动。其步态是通过将横向模块的幅度设置为零而生成的，与轴垂直的模块执行正弦波运动[17]。机器人能够使用横向起伏并辅助机械设计，在模块外部添加由掺杂铂的硅酮垫制成的柔顺材料以提供额外的摩擦和压缩。每个模块包括一个独立于其他模块执行内部计算的微控制器。Unied蛇形机器人是模块化蛇形机器人的继任者，由赖特在2012年在卡内基梅隆大学研发成一个超冗余、串联的条带状机器人[18]。每个电机都有一个附加的编码器来反馈每个模块的位置。在每个模块中使用加速度计和陀螺仪来确定其方向。电机电流被监测以允许电流限制粗略地控制力输出。UniedSnake机器人使用直线运动作为其主要运动步态，并且可以使用手风琴运动进行操作。

串联式弹性驱动条带状机器人，海洋机器人是在单体蛇形机器人之后开发的，因此遵循相同的设计原理，如使用前一个模块的O1集，由90度[19]组成。该模型的一个重要改进是在每个模块中增加一系列弹性致动器，以使柔性运动和每个关节上的NE转矩控制。该系列弹性致动器允许与地面的更多接触，提高横向波动的效率。将包含三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁强计的IMU添加到每个模块中，以允许更精确的状态估计。

3 小结

当前国内外在不同领域对条带状机器人的研究取得了一系列的研究成果，但是在提高其复杂环境的适应能力和扩大应用领域的算法模型还需要进一步的研究。目前研究在结构方面趋向于运动形态多元化以及条带状机器人的小型化问题;同时开创新的控制方式，有部分研究团队摒弃电机驱动方式，对条带状机器人的躯干单元做出本质性的改变，提高机器人运动步态的灵活性。通过多学科交叉领域的技术研究，整合机械工程、传感器检测技术、电子技术、智能控制、计算机科学等技术。在蛇形机器人硬件结构上出现多控制中心模式。在电源供给方面突破了外接电源的限制，并有望在该方向进一步发展，进一步提升条带状机器人的智能化。

参考文献

[1] 李立，王明辉，李斌，吕艳辉，郭宪.蛇形机器人水下3D运动建模与仿真[J].机器人，2015，37（03）：336-342.

[2] 郭宪，马书根，李斌，王明辉，王越超.基于动力学与控制统一模型的蛇形机器人速度跟踪控制方法研究[J].自动化学报，2015，41（11）：1847-1856.

[3] 魏武，孙洪超.蛇形机器人桥梁缆索攀爬步态控制研究[J].中国机械工程，2012，23（10）：1230-1236.

[4] 卢振利，马书根，李斌，等.基于循环抑制CPG模型的蛇形机器人控制器[J].机械工程学报，2006，42（5）：137-143.

[5] 盧振利，马书根，李斌，等.基于循环抑制CPG模型控制的蛇形机器人三维运动[J].自动化学报，2006，32（1）：54-58.

[6] 王智锋，马书根，李斌，等.基于能量的蛇形机器人蜿蜒运动控制方法的仿真与实验研究[J].自动化学报，2011，37（5）：604-614.

[7] Wu X，Ma S.CPG-based control of serpentine locomotion of a snake-like robot ☆[J].Ifac Proceedings Volumes，2009，42（16）：705-710.

[8] 唐超权，马书根，李斌，王明辉，王越超.具有环境适应能力的蛇形机器人仿生控制方法[J].中国科学：信息科学，2014，44（05）：647-663.

基金项目：江西省教育厅科学技术研究项目，项目名称：“一种蛇形机器人的研究应用”项目编号：（GJJ191533）

作者简介：刘响响，男，汉，1989年，安徽人，硕士，研究方向：智能控制。