蛇形機器人的研究進展

□ 商錦萍 □ 易 飛

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1 蛇形機器人概述

隨著時間的推移,現代生物擁有出色的行走、自我調節及環境適應的能力,令許多研究者驚嘆。仿生技術的飛速發展,則使許多新型仿真機器人問世。其中,蛇類具有靈巧身形、靈敏的反應速度,成為機械設備制造業仿生的一個新寵。蛇形機器人擁有巨大潛力,有望成為未來的重要發展方向。

科學家們發現,蛇是一種非?；钴S的動物,能夠在各種復雜的環境中移動。蛇的骨骼結構能夠輕松地進行彎曲、搖擺、直線和側向移動,無論是對于障礙物、泥沙、沙土、墻壁,還是在深水中。蛇形機器人具有出色的多功能性,擁有多種靈活的結構,因此被廣泛應用于各個領域,如海洋、陸地、礦山、農林、水產、建筑、交叉作業、消防、救援、搶險救災等[1]。蛇形機器人的靈活度高,操控范圍廣,可以穿梭于各種管線之間,完成各種搜索任務,甚至可以幫助人類從災難現場拯救出幸存者。

隨著科學的不斷進步,蛇形機器人已經變得越來越先進。筆者介紹蛇形機器人的最新發展,揭示其核心技術。

2 蛇形機器人研究現狀

2.1 功能特性

當前新研發的蛇形機器人擁有出色的環境感知能力。采用多種傳感器,如壓力、視覺、距離、角度、速度,可以實時監測周圍環境,并且利用數據融合技術,調節蛇形機器人的運動參數,從而滿足不同環境下的需求。以上技術的出現,使蛇形機器人可以更加靈活地應對外部環境,并且可以實現協同運動,甚至滿足自主運動的需求[2]。

盡管蛇形機器人可以完美地完成各種任務,但是仍面臨著一些棘手的技術難題。第一,因為密封部分經歷頻繁的拉伸、收縮,以及長時間操作,可能會導致表面的粘合劑受損,從而導致在水中運動時發生內部滲漏,進而影響到控制系統的正常運行。因此,針對容易遭遇外部沖擊的接觸部位,需要選取合適的結構,并使用高強度材料,同時設置專門針對這類部位的防護裝置。第二,在芯片設計過程中,除了將眾多傳感器納入其中,還必須采用高效的散熱技術,以及配備更加緊湊、高容量的電池,來保證系統的可靠性。

2.2 運動環境

文獻[3]設計的蛇形機器人具有出色的模擬生物蛇的特征,但只可以在二維環境,即平坦的水平面中實現正常運動。文獻[4]設計的蛇形機器人可以實現準三維環境,即若干規則平面相交組成的地面環境中的運動,但是在三維復雜環境,包括山地、丘陵等凹凸不平的地面環境中的運動能力顯得捉襟見肘。因此,需要開發出更加靈活的三維空間操控系統。

隨著技術的進步,蛇形機器人的運動環境也在不斷變化,從二維平面環境轉變為三維復雜環境。在這一情況下,蛇形機器人的理論研究更多地集中在復雜的三維環境中,如山地、丘陵、叢林、草原、戈壁、地震廢墟等。因此,未來蛇形機器人的研究應該將重點放在三維復雜環境上,以期獲得更好的效果。

3 蛇形機器人常用單元連接結構

生物蛇的身體結構是經過多次競爭、選擇及演變而形成的,具有一定的合理性。

文獻[4]經過試驗研究總結出蜿蜒曲線后,產生了多種滿足該曲線的仿生蛇形機器人結構,常用單元連接結構主要有三類[5-6]。

第一,關節間平行方式連接。蛇形機器人的兩個關節只能圍繞一個平行的軸旋轉,關節間以平行方式連接,如圖1所示。優點是結構簡單,可靠性高,缺點是功能比較單一。

▲圖1 關節間平行方式連接

第二,相鄰關節間正交連接。蛇形機器人可以通過多個關節的組合實現復雜的三維運動,從而達到翻轉的效果,并且相鄰關節間的旋轉軸是正交的,如圖2所示。這一單元連接結構使相鄰關節間不僅能夠繞著單軸旋轉,而且能夠實現復雜的生物蛇脊框架。

▲圖2 相鄰關節間正交連接

第三,單關節內萬向節連接。萬向節結構是目前廣泛應用的蛇形機器人兩個單元之間的連接方式。單關節內萬向節連接如圖3所示,與文獻[4]的設計類似,但更像生物蛇,因此更加復雜。

▲圖3 單關節內萬向節連接

在蛇形機器人的結構設計中,應盡量保持高效性和簡潔性,同時也要考慮體積和質量。為了達到上述目標,需合理選擇蛇形機器人的各項參數。

在蛇形機器人的結構設計中,除了要求具備良好的剛度和耐腐蝕性外,還應盡可能減小質量,以減小蛇形機器人在運行過程中所需的動力。因此,選擇合適的材料顯得尤為重要,需要綜合考慮機械性能、物理性能、價格等因素。

此外,舵機的選擇至關重要,舵機尺寸、功率、扭矩、操縱速度都會直接影響蛇形機器人的性能。所以,為了達到最佳效果,蛇形機器人的舵機必須綜合考量質量、速度、空間占比等因素[7-8]。

4 控制系統設計

蛇形機器人的動作較為復雜,因此精準的控制至關重要。為了達到這一目標,需要對每個關節進行精準調整,利用舵機的旋轉,實現對各關節的精準操作。蛇形機器人的控制系統由上位機、下位機及相關的調試軟件三方面構成。

蛇形機器人的控制系統主要有集中控制和分布式控制兩種形式。集中控制簡單易行,易于實現,但容易因控制系統局部故障而使整個蛇形機器人系統失去運動能力,可靠性不穩定。分布式控制中,蛇形機器人的運動由多個控制器協同控制,且各為主從關系,所以在分布式控制下,各控制器的工作負荷小,具有較高的實時性和系統可靠性[9-10]。

某蛇形機器人控制系統結構如圖4所示。蛇形機器人前端安裝的攝像頭實時捕獲圖像,然后通過圖像傳輸模塊將圖像傳輸至遙控器中的接收模塊,并在屏幕上實時顯示畫面。無線通信模塊接收到信號后,將控制信號傳送至主控制器。主控制器再通過串行外設接口總線將相應的控制信號發送給從控制器,從控制器生成相應的脈沖寬度調制信號,操控舵機運轉,實現蛇形機器人的前進后退、左右轉彎等動作。

▲圖4 蛇形機器人控制系統結構

5 結束語

隨著現代科技的飛躍發展,智能機器人已經普遍存在,蛇形機器人因廣泛的應用前景倍受關注。然而,目前研發的蛇形機器人仍然存在一些問題,如關節驅動方式過于復雜、爬行速度較慢、三維復雜環境運動能力不足,這些都會降低工作效率,并且控制效果也不盡如人意。隨著技術的進步、研究的不斷深入,如何提升蛇形機器人的靈活性、能源利用率、精確度,以及更好地適應復雜環境,顯得尤為重要,這也是目前技術人員面臨的一大挑戰。