條帶狀機器人研究意義與現狀

摘 ?要：條帶狀機器人屬于特種機器人范疇，目前科技發展和人們生活環境的多元化，急需要對該類機器人加大研究開發力度。該領域現有的技術手段和研究方向也才產生了多種分支。文中簡述了條帶狀機器人的研究意義和研究現狀。

關鍵詞：條帶狀;機器人;研究現狀

1、條帶狀機器人研究意義

機器人是當前世界各國人民生產與生活中應用越來越廣泛的設備。在地質災害收救及軍事任務中，特殊的地面環境對工作人員的行動起到極大的阻礙作用。這為機器人領域的研究進步帶來了巨大的動力。傳統上的中小型機器人主要有輪式機器人和履帶式機器人與各種各樣的仿生機器人。綜合比較而言，條帶狀機器人是一種特殊的仿生機器人，所具備的優勢如下：

a、條帶狀機器人可緊貼附著物運動，進而具有較低的重心，行進過程相對穩定;

b、條帶狀機器人的特殊的體型造就了它可以適應復雜運動環境;

c、條帶狀機器人運動能耗低。

條帶狀機器人憑借其獨特的構造，能夠適應復雜多變的環境特點，成為目前機器人研究領域的一個重要組成部分。尤其是條帶狀機器人的形體優勢在軍事領域很容易應對戰場偵察，危險場所的巡檢，定向目標打擊等，同時條帶狀機器人在民用產業也擁有廣闊的前景，如礦井氣體檢測，各類管道的檢測，核電廠輻射監測等工作人員不易到達的環境或場所，都可以使用成本較低的蛇形機器人進行相關任務的執行。例如采用條帶狀機器人完成清堵任務。由于下水道空間小，下水道內污物多，并且多數下水管深埋于地下。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項較大的工程問題。傳統上人們需要將道路挖掘開來分段對堵塞位置檢查。目前國內外主要研究使用履帶式機器人完成該類工作，由于自身結構限制，履帶式機器人主要停留在大空間下水道堵塞研究領域，其局限性非常大。為解決各類尺寸的下水道堵塞，可由條帶狀機器人完成下水道的堵塞位置尋找，并完成堵塞處的疏通工作。

2、條帶狀機器人現狀和發展

條帶狀機器人最先被國外科研人員開發應用，上世紀七十年代，日本東京工業大學研究人員最先對蛇類的運動步態進行了研究。同時，率先打開了智能條帶狀機器人的研究大門，緊接著美洲、歐洲、亞洲多國開展了條帶狀機器人在不同領域的研究，并產生多個研究方向的分化，在過去的幾十年間條帶狀機器人的理論研究呈現出多樣化，人們根據特定的目標展開了不同領域的研究。國內外在條帶狀機器人的理論領域產生豐富的研究成果，主要包含形狀結構、運動學模型、動力學模型、步態控制與穩定性分析五方面。目前條帶狀機器人在工程技術領域衍生出多種結構類型，存在的主要特點有：拖尾（電源線），多電機組，有輪等。多數的條帶狀機器人主要采用一系列的電機組構建條帶狀機器人本體，運動缺乏靈動性;并且不能在大負荷的條件下完成相關的任務執行，主要停留在現場偵察和數據收集領域，在實際應用領域未能解決能耗問題帶來的限制，依靠外部電纜和信號控制線，極大的制約了該類機器人的使用功能和領域。

2.1 國內條帶狀機器人現狀和發展

國內研究人員在條帶狀機器人理論與模型設計等方面上也取得了較為豐厚的成果。李立等[1]，通過 Morison 算法創立了蛇形機器人的水力學結構模型。針對機器人水下運動的速度進行了一系列的仿真驗證。尤其是三維步態控制各關節的相對轉角，實現機器人身體相應部位的靈活轉向動作。把條帶狀機器人分為多個關節，通過調控各個關節的轉角實現機器人整體運動，并且采用了閉環控制增強了可控性。該團隊數據展示，在機器人前進過程中，機器人頭部運動狀態能夠得到有效的控制。郭憲等[2]從微分幾何角度分析入手將帶有被動輪的蛇形機器人將動力學方面因素投影到速度分布空間內，完成了控制中心與動力學相統一的系統體系。魏武等[3]通過生物蛇對繩、纜攀爬運動狀態，使用迭代鏈擬合算子與幀提取技術，針對蛇身曲線運動過程進行擬合，產生類似的運動步態。盧振利等[4、5]根據神經網絡模型的特點，組建了反饋抑制發生器（CPG），到達了對蛇形機器人多步態控制。主要包含二維、三維控制，并能夠完成相應的步態切換。在此又進一步研究構建了深層次化CPG模型，優化蛇形機器人三維運動狀態的控制，減少了蛇形機器人對動力模型的依賴性。通過控制中心輸出不同的信號，完成對蛇身關節轉動控制，進而滿足機器人的蜿蜒運動。王智鋒等從能量傳送的規律入手，提出了被動蜿蜒控制方式，可以讓機器人被動檢測環境數據，通過自身能量狀態實現對外部環境的適應[6]。經過對單向連接CPG模型的推算分析，給出新的反饋式CPG模型，分析了CPG數據在蜿蜒運動中的作用，經過仿真與實驗兩方面論證了步態控制CPG模型[7]。唐超權等通過對蛇形機器人運動過程中存在的參數和機器人各個關節動作的幅值做參考，設計出了多模態中樞模式發生器控制策略;并通過建立外部激勵與模型參數之間的約束，使得條帶狀機器人在多模態中樞模式發生器控制下具有三維 運動能力以及相應的環境適應能力[8]。

2.2 ?國外條帶狀器人技術現狀和發展

多數的條帶狀機器人研究團隊通過對蛇類或帶魚類的運動步態作為研究依據，但是該類仿生機器人模仿對象存在運動狀態的多元化，但很難設計出夠復制所有運動步態的類型機器人。大多數條帶狀機器人采用車輪結構完成橫向運動。雖然有些條帶狀機器人的設計考慮到一定的蛇類或者帶魚類部分運動步態，如能橫向起伏，但往往不能夠靈活執行其相應運動步態。不過，這些機器人可以使用額外的運動步態模式如滾動。

希羅斯的RST機器人，有源繩索機構（ACM）在1972開發，使用被動輪[9]。他隨后研制了ACM II和ACM III [10]。希羅斯此后進一步對ACM R3機器進行了升級改造如圖1。在機器蛇的各關節側面裝有驅動輪。新的設計能夠抬起車身穿越低障礙物，采用車輪自由滾動穿越障礙。

Komura [11]開發的ACM R8是在ACM系列中開發的機器人。ACM R8是ACM R4.2的繼承者，屬于主動輪條帶狀機器人。ACM-R8機器人的主要目標是能夠爬出比自身更高的臺階，并且具有與環境交互的潛力，比如操作門把手。Komura得出結論，條帶狀機器人特別擅長爬樓梯，并且具有抓握能力。但是該機器缺乏相應的環境檢測處理裝置，機器人的實用性有待提高。2016 Hosei university[12]開發了一種基于自動臺面設計的蛇形機器人。半自主、串聯式多履帶機器人是用于城市搜救作業的機器人。它是電池供電和遙控，目的是易于使用未經訓練的救援人員。因此，遠程控制宏操作，而機器人被動地控制關節以避免碰撞。機器人沒有傳感器，而是使用給定的長度線來約束關節，使得機器人將圍繞障礙物變形并繼續沿著期望的方向運動，這使得機器人易于操作。

2010 Liljeba¨ck改進設計出 e Kulko蛇形機器人，是一種具備穿越障礙物的蛇形機器人[13 ]。Liljeba¨ck認為要想實現智能穿過障礙物，蛇形機器人不僅需要光滑的外表面也需要靈敏的力學傳感系統?；谶@兩點的考量，Kulko設計了球形的蛇形機器人關節，構造了蛇形機器人光滑的外表，并在蛇形機器人內部安裝了接觸式力學傳感器。盡管設計的機器蛇的精度不高，無法進行精確的測量，但足以精確地確定蛇形機器人與地形的接觸位置，這樣使得機器人做出智能決策以幫助其推進。Eelume是一種水下模塊條帶狀機器人，用于石油和天然氣工業中的商業用途，執行檢查、維護和維修。EelMuu使用蛇形步態結合推進器來推進自身運動 [ 14 ]。模塊化條帶狀機器人是由萊特于2007在卡內基梅隆大學設計的[ 16 ]。各模塊與前模塊能夠形成90度到0度，使其適合自然的直線運動。其步態是通過將橫向模塊的幅度設置為零而生成的，與軸垂直的模塊執行正弦波運動[17]。機器人能夠使用橫向起伏并輔助機械設計，在模塊外部添加由摻雜鉑的硅酮墊制成的柔順材料以提供額外的摩擦和壓縮。每個模塊包括一個獨立于其他模塊執行內部計算的微控制器。Unied蛇形機器人是模塊化蛇形機器人的繼任者，由賴特在2012年在卡內基梅隆大學研發成一個超冗余、串聯的條帶狀機器人[18]。每個電機都有一個附加的編碼器來反饋每個模塊的位置。在每個模塊中使用加速度計和陀螺儀來確定其方向。電機電流被監測以允許電流限制粗略地控制力輸出。UniedSnake機器人使用直線運動作為其主要運動步態，并且可以使用手風琴運動進行操作。

串聯式彈性驅動條帶狀機器人，海洋機器人是在單體蛇形機器人之后開發的，因此遵循相同的設計原理，如使用前一個模塊的O1集，由90度[19]組成。該模型的一個重要改進是在每個模塊中增加一系列彈性致動器，以使柔性運動和每個關節上的NE轉矩控制。該系列彈性致動器允許與地面的更多接觸，提高橫向波動的效率。將包含三軸陀螺儀、三軸加速度計和三軸磁強計的IMU添加到每個模塊中，以允許更精確的狀態估計。

3 小結

當前國內外在不同領域對條帶狀機器人的研究取得了一系列的研究成果，但是在提高其復雜環境的適應能力和擴大應用領域的算法模型還需要進一步的研究。目前研究在結構方面趨向于運動形態多元化以及條帶狀機器人的小型化問題;同時開創新的控制方式，有部分研究團隊摒棄電機驅動方式，對條帶狀機器人的軀干單元做出本質性的改變，提高機器人運動步態的靈活性。通過多學科交叉領域的技術研究，整合機械工程、傳感器檢測技術、電子技術、智能控制、計算機科學等技術。在蛇形機器人硬件結構上出現多控制中心模式。在電源供給方面突破了外接電源的限制，并有望在該方向進一步發展，進一步提升條帶狀機器人的智能化。

參考文獻

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[3] 魏武，孫洪超.蛇形機器人橋梁纜索攀爬步態控制研究[J].中國機械工程，2012，23（10）：1230-1236.

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[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] 唐超權，馬書根，李斌，王明輝，王越超.具有環境適應能力的蛇形機器人仿生控制方法[J].中國科學：信息科學，2014，44（05）：647-663.

基金項目：江西省教育廳科學技術研究項目，項目名稱：“一種蛇形機器人的研究應用”項目編號：（GJJ191533）

作者簡介：劉響響，男，漢，1989年，安徽人，碩士，研究方向：智能控制。