哈工大仿生感知与先进机器人课程报告(2)

H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y
仿生感知与先进机器人技术
课程报告(2)
报告题目：仿生机器蛇的研究
院系：机电工程学院飞行器制造工程
班级：1108301
姓名：XXX
学号：11108301xx
哈尔滨工业大学机电工程学院
仿生机器蛇的研究
Xxx
（哈尔滨工业大学机电学院，黑龙江哈尔滨 150000）
摘要：机器人仿生学是从仿生的角度对机器人进行研究，是机器人领域的重要分
支. 本文从综述、蛇的运动原理、仿生机器蛇的运动原理、系统构成、关键技术、存在的问题、发展方向等方面归纳和评述了仿生机器蛇的研究情况。

关键字：仿生蛇技术原理模块构成
1 引言
九十年代以来，机器人技术的应用开始从制造领域向非制造领域(如宇宙探测、海底探查、管道敷设和检修、医疗、军用、服务、娱乐等方面)扩展，从而基于非结构环境、极限环境下的先进机器人技术及其应用研究已成为机器人技术研究和发展的主要方面。

地球上生物历经长年进化，不仅具备超乎寻常的对自然环境的适应能力，而且更有功能和特性极其完备的动作机理和功能器官。

因此，基于仿生机理微特机器人的研究将是非结构环境下机器的研究重点。

[1]
2 国内外研究情况综述
发达国家十分重视蛇形机器人的研制和开发。

从1972年日本东京工业大学的I-lirose教授研制出第一台至今，相继有数十台蛇形机器人样机问世。

目前，国外比较系统而深入地研究蛇形机器人的机构主要有：日本东京工业大学的Hirosc机器人实验室(H．F Robot Lab)、美国密歇根大学(University of Michigan—UM)的移动机器人实验室(Mobfie Robotics Laboratory)、美国卡内基-梅隆大学(Carnegie Mellon University —CMU)的生物机器人技术实验室(Biorobotics Lab)等，其各期的样机基本包括了现有蛇形机器人的所有重要特性。

蛇形机器人的研究在我国起步较晚，但进展很快。

2001年11月，国防科大研制了他们的蛇形机器人样机。

该机器人蛇体由十七节组成，长1．2米，直径0．06米，重1．8公斤，可蜿蜒前进、后退、拐弯和加速，其最大运动速度可达每分钟20米。

身体下部装有从动轮，执行单元采用平行连接方式，只能完成平面内的蜿蜒运动。

中科院沈阳自动化所机器人开放实验室是国内目前研究蛇形机器人最系统和最深入的单位，他们于2001年开始研究的蛇形机器人“勘查者一I”是国家863计划项目，于2004年初通过专家组的考核验收。

该蛇形机器人长150cm，腰间直径8cm，重3kg，共16个关节，行走速度可达0．4m ／s，头部装有微型摄像机，采用分布式神经网络控制方法，在嵌入式微机控制器的核心指挥下，具有三维空间运动能力，可以自动识别地面环境特征，相应采取蜿蜒、侧滑、伸缩、翻滚等步态，在硬地面、沙地或软土中爬行，还能够跨越5锄的障碍物。

[2]
3 蛇的运动原理
生物蛇无需驱动足，仅仅依靠自身体态的变化就能在障碍物众多、凹凸不平的环境下行走自如。

蛇的这个特性引起了科技工作者的关注，不断有仿蛇机器人研究的报道。

而当前仿蛇机器人的变体运动研究大多集中于运动平面内，机器人通过体态变化及界面的摩擦力来实现系统的运动．而本文则
着重考虑与运动平面相垂直的平面内仿生机器人的变体动作。

系统有效控制等方面的问题，以适应恶劣环境或人力所限、人所不及的环境下作业的需要，比如地震后对受灾地区的勘察、寻找幸存者、核电站中反应炉的清理、煤气管道内部的在线检测等。

4 仿生机器蛇的具体研究
4.1 仿生机器蛇概述
从17世纪以来，人们一直没有中断对蛇体结构和运动规律的研究。

它们具有无肢、软体、低重心、多冗余度和结构密封的生理特点，能在各种
环境中生存繁衍。

模仿生物蛇原型的机器人与一般移动机器人不同，具体表现如下：
(1)环境适应性强。

它能够在不同的环境和情况下采取蜿蜒运动、伸缩运动、侧向运动、直线运动、冲刺运动、推进运动以及跳跃、攀缘等多种运
动方式，能够在草地、在沙地、在树上、在水中、在废墟坎坷中和在悬岩峭壁上运动自如。

(2)运动灵活性好。

蛇形机器人具有多于确定空间位置和姿态所需的自由度，它有较强的灵活性和实用性。

比如，在遇到障碍物时，它可以根据障
碍物的特点：1）避开较大、较高的障碍物。

2）越过较小、较低的障碍。

3）借助身体与障碍物抵触时的反作用力改变方向继续运动。

(3)结构易模块化。

蛇形机器人由多个重复关节组成，结构容易实现模块化，特别是当单个模块具有感知、自主能力，多个模块间具有协调、通讯，
尤其是具有可重构能力时，蛇形机器人的功能将能进一步加强。

(4)适应范围广。

蛇形机器人有着非同一般的应用前景，比如：星球探测、军事侦察、管道检测和灾难救援等非结构环境和极限环境下的自主作业。

对蛇形机器人的仿生研究而言，对蛇的运动方式和运动能力进行试验，验证和探索蛇的运动规律，其意义深远。

近年来日本东京工业大学S．Hirose
和上海交通大学吕恬生等从仿生的角度已经分别对蛇在平地、在斜坡、在迷宫中的运动进行了试验研究和理论研究，并仿生实现。

其他研究人员也研制出多种蛇形机器人样机。

而今，蛇形机器人研究正朝可重构功能和三维运动功能的方向发展。

蛇的多种运动步态中，伸缩运动是最基本的步态之一。

基于对生物蛇在不同环境中的观察与试验，讨论了生物蛇伸缩运动的运动机理和适应环境，建立了运动学的数学模型，并对该仿生机器人系统进行了运动学分析，提出了蛇形机器人的仿生及机械结构。

通过对沈阳自动化研究所研制出的具有环境适应能力的蛇形机器人的伸缩运动试验，证明了这两种伸缩运动步态的可行性。

蛇形机器人的优点有: 1) 运动稳定性好, 适应地形能力强； 2) 具有高的牵引力；
3) 由于模块化结构的特点, 其可靠性和维护性高； 4) 整个结构可以密封, 适于恶劣的环境下作业。

蛇形机器人的缺点有: 1) 多自由度的控制困难；2) 由于机构结构形式的限制, 必须采用管道式传输物体, 限制了它的承载能力；3) 由于表面积与体积之比大, 造成的温度控制问题；4) 蛇形机器人的运动速度和轮式机构相比较慢。

4.2 仿生机器蛇的模块结构和技术原理
蛇形机器人由多个相同的模块构成，各节有独立的驱动系统，采用统一的车厢式结构和活动坐标式运动方式，依靠躯体和地面间的相互作用实现驱动。

它有多种运动形式，
前进的动力和机构的运动形式有密切的关系。

从运动角度考虑，它至少要有两节模块相连。

如果有特殊的传感器、执行器、电池时，它需要头和尾两模块。

模块之间连接可以用关节或简单的刚性连接。

有的蛇形机器人利用被动轮来改变肌体与地面之间的摩擦特性 (图1)，有的则利用平板增加运动和跨越的稳定型 (图2)。

蛇形机构关节形式的选择直接决定了其运动的功能。

目前实现的关节形式种类有：1) 简单关节。

这种关节可以使机构在水平或垂直平面内运动，容易控制，经济性好 (图3)；2) 球窝关节，适于大多数框架用刚性管的机器人。

球窝关节控制难，制造复杂，但允许模块之间相对独立运动 (图4)；3) 柔性连接。

柔性连接可以是橡胶等弹性材料，其特点是可以向各个方向弯曲，通常它与线索铰盘驱动器联合使用 (图5)；4) 特殊关节。

为实现特殊目的而使用的关节，通常它有三个自由度（图6）。

图1图2
图3图4
图5图6
蛇形机器人不是利用轮子, 而是利用模块之间的相对转动, 使身体弯曲伸张实现运动, 可以有多种执行器结构实现驱动。

目前大多利用伺服电机驱动,它的驱动方式有:
1) 电机-控制杆驱动器: 电机通过一个控制杆传递力, 使关节弯曲； 2) 电机直接驱动: 电机输出轴直接与关节轴连接； 3) 铰盘绳索驱动器: 电机驱动铰盘来控制围绕其上的绳长, 绳子的收缩控制关节的转动。

[3]
4.3 仿生机器蛇的运动规律
我们所研究的机器蛇是一种多肢体仿生机器人参考了东京大学的Shigeo Hirose 教授于ACM结构和日本Ibaraki 大学马书根关于正弦步态方面的研究是一种新颖的机构并有多种优点。

整个系统有相同且独立的模块构成因此当有模块损坏时可以方便的替换。

而这些目前类似的以轮子为基础的单肢体移动机器人无法做到的。

由于具有多种爬行方式因此在较为崎岖的路面爬行时而不会出现轮式月球车的卡死现象，这又为外层空间探索提供了良好的保证。

运动机理是基于行波推进理论。

装配时可以平行安装实现平面的二维运动也可以采取正交串联安装装配成空间杆件实现空间的三维运动，可在狭小的空间或管道中进行爬行可运用军事医学化学化工领域代替人在危险的环境中完成侦察检查等工作。

从蛇的运动研究可见，其爬行是一个复杂且十分灵活的运动过程很难完全模拟。

在研究蛇的运动时我们总是先去研究蛇的一些最基本的运动。

若干种基本运动的复合，就是蛇的实际运动蛇。

爬行时身体成S形，以典型的蛇式运动方式运动时，有波动特性，因此研究人员一般以串联杆系和行波作为机器蛇运动的基本模式，如图7中状态0所示。

图7
机器蛇以基本运动模式运动时各节点顺次到达波峰位置相邻两段之间的夹角呈现出有规律的变化如图7所示在半波长内夹角α、β、α、γ经1/8 周期后变为γ、α、β、α，即夹角随状态变化，而循环向右移位。

这个变化通过步进电机的转动完成同时也实现了波动前进。

图7中数字标号1 、4 、7 分别代表一个周期内的几个典型状态，到状态7 周期结束时，机器蛇移动了距离d 。

就目前所研制的机器蛇来看，绝大多数的机器蛇都可以实现两种以上的运动模式。

其中既有模仿自然界中蛇类运动模式的，也有采用一些人为想象出来的运动模式的。

因此机器蛇的运动模式可以分为两类蛇类运动模式和非蛇类运动模式。

其中蛇类运动模式如图8所示，主要有： 1）直线运动，如图8 a 所示。

沿着身长方向产生一个波形将身体一部分抬起并利用单元的长度向前运动。

由于与地面之间没有太多的滑动，因此效率也较高。

2）垂直波动运动，如图8 b 所示。

是一种相对来说效率比较高的运动模式，因为在采用这种运动模式时机器蛇与地面只有少数的接触点，垂直波动运动的波形其实是由两个波组成的一个腹部产生的纵向运动、一个横向盘旋运动。

两者之间有一定的位相差，构成了侧向盘旋运动的波形。

3）水平波动运动，如图8 c 所示。

一种在平地上的连续运动模式，采用这种运动方式时，机器蛇可以在平地或者是有规则排布障碍物的场地上爬行运动中身子略为抬起，同时按照一定的曲线产生侧向的运动。

波形在Hirose 教授研制的机器蛇中将其运动方程设为一条正弦曲线。

图8
而非蛇类运动模式主要是人们在观察了蛇的真实运动后结合自己所制作的机器蛇样品设计的一些运动模式，这其中主要有：
1）U 型移动，如图9 a 所示。

在运动过程中所有电机朝一个方向旋转使得机器蛇整体弯成U 字型，然后U 字两端的关节作为支点将U 字底部的几节单元抬起并向前移动，随后底部作为支点将两头翘起向前运动并周而复始。

这种运动在机理上和上面的侧向运动很相近，只不过在侧向运动中在运动平面中的波形数较多而在侧向环绕中运动平面中的波形数为零。

2）轮式滚动，如图9 b 所示。

机器蛇所有关节蜷曲在竖直平面内形成一个圆环，在运动方向上还没有和地面接触的关节慢慢舒展开始接触地面，而原先接触地面的开始蜷曲形成类似于轮子在地面上滚动的效果。

当然在机器蛇的研究过程中所实现的运动模式并不只是以上这些，比如还有抬头螺旋、盘旋翻滚等。

每个研究组也都会根据实际情况提出一些新的运动模式，因此这里不再例举。

图9
4.4 蛇形机器人控制问题的研究
4.4.1 控制系统的总体设计问题
由于机器人是一个高度非线性的复杂系统每一个关节都是一个分散的子系统，而且需要高速高精度的控制。

因此传统的集中控制往往难于取得理想的控制效果。

分散控制是利用分散的信息实现分散的控制，目前已经应用到各种复杂系统的控制。

针对机器人多关节的特点对机器人系统采用分散控制是十分自然的，正如Putz 和Finsterwalder 所指出的那样，分散控制是机器人控制中的一种非常有效的方法。

4.4.2 蛇行机器人的轨迹跟踪问题
迄今为止，对机器蛇类机器人的控制研究并不多，但是对多关节机械手的研究已经比较深入，而两者之间的研究有许多相似和可借鉴之处的。

多关节机械手是一个多输入多输出强耦合非线性时变的控制对象，机械手的模型参数随它的位置姿态和负载的变化而变化，因而机械手轨迹跟踪是一个相当复杂和困难的控制问题。

不过人们已经提出很多机械手轨迹跟踪控制算法。

4.5 运动控制中的协调问题
运动控制中的协调问题包括两个方面多种运动模式的协调问题和多电机的协调问题。

对于于不同的运动步态和不同的反馈方式需要用不同的流程图在程序中实现电机的控制，但从硬件电路和控制程序方面角度看要求有良好的互换性。

在多电机系统的协调问题方面，蛇形机器人的整体运动是由各个执行单元之间的相对转动产生的。

要得到比较平滑的运动曲线，就要求所有执行单元之间有良好的协调性，这也是机器蛇控制的关键点。

通过建立运动学模型分析步态等理论计算来得到电机的理论控制参数，在电路中增加反馈弥补性能上的差别等措施来解决多电机的协调问题。

[4]
5 蛇形机器人研究的问题和解决方案
5.1 结构设计的难点
从可重构性方面，采用可重构思想，设计出具有简单灵活特性的机械结构，实现某种运动模式方面。

蛇形机器人的各模块要具有通用性和经济性，从运动的复杂性来看，要实现水平面或垂直面中的二维运动方式的机械结构较易实现。

稍复杂一些的结构能在水平面中作抬头动作或爬台阶的动作，然而要实现蛇类的爬树或缠在树枝上的动作，则在结构上具有很大的难度和复杂性。

5.2运动模式研究的难点
运动模式研究的难点在于多种运动步态的规划。

自然界蛇的运动模式极其灵活多变，运动平稳性好，蛇形机器人只能在一定程度上实现对蛇的运动模式的模拟。

比较常见的步态有蜿蜒运动直线运动侧向运动等，表现这些运动的波形可以用三角函数傅立叶系数和表向量通常正弦函数可容易地展现波形的参数，但对于任意时间变化的波形有其局限性。

用关节角度图表可以简单的描述各个关节的角度便于机器人的控制，但是并不能详细的描述波形运动方式。

5.3 控制系统的难点
控制系统的难点在于多机之间的通讯和各个单元之间的协调控制。

蛇形机械虽然由许多看似简单的单元模块组成，但如果使其按照串联杆系波动规
律运动起来却不是容易的事情，需要各个模块按某一顺序进行协调控制，可以通过手工的方式构建蛇形步态，但效率相当低，而且会错过一些步态。

鉴于控制系统的复杂性，一般采用由上下位机两级计算机组成的控制方案更全面。

通过人机界面HMI 与上位机通讯上位机完成对机器蛇的实时监控，依靠图形化界面操纵机器蛇，查询各部分的状态并进行在线和离线仿真同时规划步态和路径。

5.4 具体解决方案
1）运用可重构思想实现一种类正弦波形的运动步态设计出一种新型的执行单元结构，要求重量轻又要有足够的强度和刚度，还可以采用平行安装和正交串联安装等多种方式进行连接组合。

2）利用三维计算机设计软件Pro/Engineer 和 Unigraphics NX 进行零件的设计和分析并进行装配。

3）设计机器蛇的单片机控制系统利用Protel 进行控制和驱动电路的设计并完成电路板的焊接。

4）建立机器蛇的运动学模型规划蛇形机器人常见的步态得到相应的控制参数。

5）根据步态的控制参数编写流程图单片机控制程序。

6）调试直流电机驱动系统单片机系统无线传输模块和人机界面HMI。

[6]
6 蛇形机器人研究的发展方向
蛇形机器人研究发展的方向主要在两个方面：结构设计运动规划及其在控制上的实现。

蛇形机器人结构不再局限于二维运动方式，能可靠灵活地实现非结构化未知的三维空间运动，实现作抬头爬台阶类似自然界蛇类的爬树或缠绕等复杂动作，并且具有较快的运动速度和足够的负载能力。

在那些非结构化高限制性的环境中，如核反应堆的侦察、化学废料的掩埋以及医疗内窥领域，要求机器人有更多的灵活形自由度冗余度。

这些地方的应用环境都是相当复杂的或者是随时间变化的，很难精确建模。

要使高冗余度机器人在上述环境中得到实施必须解决基于传感器的路径规划问题并引入空间构形法。

在控制系统中的计算机仿真系统也是一个重要的发展方向，通过仿真系统可以优化步态和运动路径。

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参考文献：
[1]韩良明．仿生机械学[M].上海：上海交通大学出版杜，1989。

[2]吕恬生，王翔宇．蛇的爬行运动实验和运动中蛇体曲线的动态模拟[J]．上海交通大学学报．1998， 2(1)：131-135。

[3]崔显世，颜国正．一个微小型仿蛇机器人样机的研究[J]．机器人．1999，21(2)：156-160。

[4]刘华，颜国正．仿蛇变体机器人运动机理研究[J]．机器人．2002，24(2)：154--158。

[5]李斌，叶长龙．蛇形机器人的扭转运动研究[J]．中国机械上程．2005，16(1 1)：941～944。

[6]刘金国．蛇形机器入伸缩运动仿生研究[J]．机械工程学报．2005，41(5)：108～113。

[7]马书根．一种具有三维运动能力的蛇形机器人的研究[J]．机器人．2004，26(6)：506～509．。