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，