强大的蛇形机器人

供稿|张棚 / ZHANG Peng

内容导读

在日常生活中经常见到形式各样的具有定向功能的机器人，它们在不同领域内协助或完全取代人力开展相关工作，不仅提高了工业生产的质量和效率，同时也增加人们生活的体验感和丰富度。随着科学技术的不断提升，研究者们开始着手于仿生类机器人的研究和研发，通过对一些动物所具备的独特运动特点进行分析和模仿，进而应用到生活实际中，以此来克服传统机器人在工作过程中存在的缺陷。本文将以蛇形机器人为例，介绍其生物研究、历史发展、功能应用，使读者对蛇形机器人有更加清楚的认识，以及对仿生类机器人有初步的了解。

在自然环境中，无论是在高山峡谷、平原沟壑，还是江河湖海、沙漠沼泽中都能发现对这种环境赖以生存的蛇存在，足以见得蛇在自然界中具有广阔的生存范围和强大的环境适应能力。其本质原因在于，蛇进化出了多种适应性的运动姿态，因此，基于对这些独特运动姿态进行仿生模拟而设计的蛇形机器人能够在多种环境下适应性地实现相关运动。当前蛇形机器人已经逐步应用于一些特定场所从事相关的检测任务，未来一定能够更加高效广泛地应用在各种领域中。

自然界中的蛇

在大家固有的印象中，一提到蛇总会让人感到恐惧，人们害怕蛇像针管一样尖锐的毒牙，一旦被咬便会猛烈地刺入到皮肤深处，若是有毒蛇，毒液还会通过中空的毒牙注入人体内，通过血液循环扩散至人的全身，进而威胁到人的生命安全，以至于出现“一朝被蛇咬，十年怕井绳”的典故。

除了毒牙，人们对蛇的畏惧也来自于蛇不同于其他无足类爬行动物而具备多种运动姿态，这种灵活性的姿态转换得益于独特的骨架结构。从生物学的角度来看，蛇的骨骼主要由颅骨、肋骨和脊椎骨构成，其中脊椎骨的数量决定了蛇的躯干长度，但总的来说，一条蛇大致有130～500个脊椎骨。肋骨位于每块脊椎骨上，依靠肌肉的伸缩，每块脊椎骨之间能实现10°～20°的小范围旋转运动，但是数量庞大的脊椎骨小范围运动叠加在一起，蛇便能实现灵活的姿态。

蛇在平面上的运动

蛇在平面上的运动主要分为蜿蜒运动、伸缩运动(又称内攀爬运动)和直线运动(又称行波运动或蠕动运动)[1]。

蜿蜒运动是蛇最常见、效率最高的运动方式，自然界中大部分蛇在陆地或水中运动时都会采用蜿蜒运动。在做蜿蜒运动时，蛇的躯干会形成若干个正弦波形状，波形从头部到尾部依次传递，腹部和地面之间的摩擦力或与水之间的相互作用力推动蛇向前运动，如图1(a)。

图1 蛇在平面上的运动

伸缩运动是蛇进化出的一种适应狭窄空间的运动方式，当蛇运动经过狭窄空间时，躯干的前部分会弯曲成若干个S形与地面接触，而躯干的后部分则相对保持伸直的状态并被往前拉进，之后躯干的后部分形成若干个S形与地面接触，前部分则保持相对伸直的状态被往前推进，实际情况下这种重复的“弯曲-拉近-弯曲-推进”过程使得蛇缓慢地向前移动，运动效率很低，如图1(b)所示。

直线运动是大体型蛇类以及部分剧毒蛇类的常用的一种运动方式，该步态是通过蛇腹部的肌肉收缩实现，所以在这种情况下，蛇的脊椎没有实现横向的摆动而在整体上呈现出直线前进的运动状态，如图1(c)所示。在运动过程中，蛇腹部的一组肌肉收缩控制皮肤从地面抬起并向前拉伸，另一组肌肉控制腹部皮肤压低并往后推动，两组肌肉不断实现交替的拉伸和推动作用，蛇从而实现前向运动，但这种运动的效率也很低。

蛇在空间中的运动

自然环境往往更为复杂和多变，因此蛇在空间中的运动会根据环境的变化和结合当前任务的可执行性，如自身处于劣势状态或遇到天敌情况需要立刻逃生，此时的运动状态往往都是非常见运动姿态，包括侧向运动、在陌生环境中侦察或恐吓敌方时将前三分之一躯干竖立起来的抬起姿态，以及缠绕树干向上前进的攀爬运动，如图2所示。

图2 蛇在空间中的运动

侧移运动是蛇为了适应比较光滑的地面而进化拥有的一种特殊的运动方式，如自然界中湿润的沼泽环境和流动性较强的沙漠环境等。沙漠中的响尾蛇会采用侧移步态在沙漠中前行，由于沙漠环境的接触面较为松软，在白天时间沙砾的温度较高，响尾蛇在运动过程中身体的各个部分不能长时间与沙砾接触，因此只能采用躯干部分交替接触的方式来实现相应运动。侧移运动时，蛇躯干上的每个部分会从头部到尾部依次与地面接触和离开，最终实现躯干整体朝侧向移动。相较于二维姿态中的直线运动和伸缩运动，侧移运动是一种效率较高的运动步态。

缠绕树干的螺旋攀爬运动主要分为折叠伸缩式运动和螺旋蠕动式运动。折叠伸缩式运动是一种沿树干纵轴方向收缩的运动步态，蛇在运动过程中，躯干的前半部分向上伸展，到达一定位置后上半部分缠绕在树干上，然后放松已经缠绕在树干上的后半部分躯干并向上收缩，到达一定位置后后半部分缠绕在树干上，也正是这种“头部伸展—头部缠绕—尾部收缩—尾部缠绕”的折叠伸缩式运动，实现了蛇的攀爬。螺旋蠕动式运动是蛇的躯干形成空间螺旋形态实现蠕动的传递，蛇的尾部通过部分关节的运动起伏以纵波的形式传递至蛇的头部，在整个攀爬的过程中，蛇沿着一条固定的轨迹运动，由于这种步态在实现过程中大部分关节都是缠绕在树干上的，因此需要额外产生用来克服重力作用的摩擦力较小，但这种步态的攀爬速度较慢。

蛇形机器人的历史

1972年，东京工业大学的Hirose对蛇的运动原理通过数学方法描述为蛇形曲线(Serpentine)，直至今日，蛇形曲线仍旧是蛇形机器人研究领域具有指导意义的曲线[2]。其团队采用多关节模块串联式链接组成的高冗余度系统而设计出了世界上第一台蛇形机器人样机ACM-Ⅲ，该机器人全长2 m，质量为28 kg，有20个相互平行的关节构成，能够在平面内实现蜿蜒运动，由于受到关节连接的限制，ACM-Ⅲ并不具备在空间中运动的能力。

在后续经过近50年的创新和发展，卡内基梅隆大学、挪威科技大学、德国GMD国家实验室、上海交通大学、沈阳自动化研究所、北京科技大学等众多高校及科研机构在推进蛇形机器人的功能研发和实际应用中做出了巨大的贡献[3]。

蛇形机器人的研究现状

除了最早的蛇形机器人ACM-Ⅲ外，东京工业大学还研制了动力驱动更强的蛇形机器人ACMR4以及同时具备地面和水下运动的水陆两栖蛇形机器人ACM-R5等。1997年，德国的Gavin Miller研制了蛇形机器人S1～S7共七代蛇形机器人，该机器人在形状尺寸设计和运动关节数量等方面考虑得非常完备，在外形上具有极强的仿生效果，因此也被称为最接近生物蛇蜿蜒运动的蛇形机器人。2000年，美国国家航空航天局(NASA)为了完成太空探测和空间站的维护设计了一款正交关节连接的蛇形机器人，该机器人可以实现蠕动前进、翻越简单障碍物等功能，具备空间运动的能力。

美国卡内基梅隆大学Howie Choset研发了Uncle Sam、SEA和Unified Snake Robot蛇形机器人，这些机器人能够适应草地、管道网络、树干等多种非结构环境。美国密歇根大学研制出地面适应能力更强的一种蛇形机器人Omni-Tread OT8和OT-4，这些机器人的每个关节模块配备了有八条履带式的轮子，其地面行走能力非常强，能够适应各种非常复杂的地形环境。德国GMD国家实验室对蛇形机器人的模块化结构设计具有突出的贡献，蛇形机器人GMD-Snake和GMD-Snake2均采用了模块化设计的关节结构，同时每个关节具有两个相互垂直的转动自由度，整个蛇形机器人的自由度个数是关节数量的两倍，从而更加增强了蛇形机器人的灵活性和机动性。

在国内，上海交通大学于1999年发布了我国第一款蛇形机器人样机，该样机在外形上与生物蛇极为相似。国防科技大学在蛇形机器人的头部配置了摄像头后，实现了对蛇形机器人运动时前方环境的获取和分析。沈阳自动化研究所是我国蛇形机器人研究领域的领军科研机构，设计了包括蛇形机器人SIA(初代样机，2001年)，巡视者Ⅰ(2004年)、巡视者Ⅱ(2004年)及探查者Ⅲ(2011年)等多款样机，对蛇形机器人的控制理论、运动学、动力学、机构设计和系统规划开展了全面而系统的研究。除此之外，北京化工大学、中国矿业大学(北京)、北科大等高校也开展了大量的研究。

蛇形机器人的应用

从蛇形机器人的结构可知其具备灵活的运动姿态和高度的环境适应性，因此蛇形机器人可以应用在安全检测、工业生产、航空航天、国防军事、医疗应用等诸多领域[4]。图3展示了蛇形机器人在不同领域的应用。

图3 蛇形机器人的应用

安全检测和状态检测是蛇形机器人最常见的应用场景之一，同时也是便捷的应用场景之一。蛇形机器人修长的结构特点确保了其能够像生物蛇一样在管道内部攀爬或外部攀附，在特定的关节上安装传感器，通过控制可以对管道的损伤进行探测和预警。卡内基梅隆大学将蛇形机器人在社区雨水管道网通中进行实验，不仅实现了蛇形机器人在直管、弯管、变径管道等复杂的管道网络中实验，同时，通过GPS实现机器人与主控平台之间的联系，蛇形机器人头部的摄像头实时地传回雨水管道网络中的堵塞或破损情况，极大地提高了检测效率和节省了人力成本。

工业生产中可以利用蛇形机器人在高危仓库中实现危化品的巡视检查和临时搬运。蛇形机器人在复杂的非结构环境中能够通过步态切换的方式来实现对环境的适应。尤其是在高危仓库的安全隐患排除时，蛇形机器人需要能够独立开展现场检查，而将其头部改装配备上特定的夹持机构便可以适当完成潜在隐患的搬运和转移。天津工业大学设计的蛇形机器人在其头部安装了一个夹持器，该夹持器的理论操作空间为45 mm的夹具开口距离，但是在实际操作时，由于齿轮的间隙和精度问题，改加持机构的最佳抓取对象的宽度为20～34 mm。

除了NASA设计的空间站维护蛇形机器人外，近些年来有研究者研究了将蛇形机器人应用于外星球的探索和开发。哈尔滨工业大学通过模拟月球表面的陨石坑环境，研究了蛇形机器人在不同陨石坑壁倾角条件下蛇形机器人的最佳攀爬策略，为我国下一步探月任务中的实地采样环节提供了有效的建议和有力的支持。

国防军事前线是关系到我们每个人生活安全的重要一部分，同时因为战争的原因我国西南边境等地依旧存在大面积的雷区，这严重危害到了当地居民的生产生活，而目前的边境排雷还是主要依赖排雷兵进行人工排雷，而探雷的过程则更是极为复杂和繁琐的，而采用蛇形机器人进行协助排雷不仅降低了人为探雷的风险，同时也能通过传感设备对埋雷的具体点位进行传送和反馈。与此同时，蛇形机器人在野外环境能够缠绕在树枝等隐蔽的环境中，对环境侦察和情报获取具有极高的军事指导意义。

北京科技大学的蛇形机器人

北京科技大学仿生蛇形机器人研究主要由机械工程学院郜志英教授团队开展，目前具备完善的“教授指导—博士带头—硕士创新—本科生SRTP”全阶段的培养体系，对蛇形机器人的运动学分析、动力学分析、运动控制、样机设计、控制策略优化、实际应用落地等开展了较为全面的研究和分析。

目前该团队已经设计完善了5代蛇形机器人，能够全面高效的完成平面运动及空间运动(图4)。同时，他们致力于将蛇形机器人应用于实际生产，依托于北京科技大学顺德研究生院在大湾区的优势，团队正在积极与当地企业开展沟通和交流，为蛇形机器人的进一步科技成果转化不断努力着。

图4 北京科技大学设计的系列蛇形机器人