学文网摘要：仿生技术与机器人技术的结合，使机器人从结构设计到运动模式的选择都有了新的进展，这大大扩大了机器人的应用领域 .本文阐述了蛇形机器人的应用背景和研究现状，并展望了其未来的发展.
关键词：蛇形机器人；运动学；模块化结构；稳定性；结构；控制
1 引言
蛇在多种多样的环境中都可以见到他们的身影，他们特殊的无附肢运动方式具有强大的环境适应性。如果能在机器人中应用这种运动能力，那么将会是一个巨大的突破。常用的机器人运动方式多为轮式或者足行，他们的运动能力有很大限制，适应地形的能力有限。由于仿蛇运动的强大适应性，可以预见蛇形机器人在探险，危险环境作业，现场检视侦察等方面将有着广阔的应用前景。除了特殊的环境和地形适应性外，蛇形机器人由于往往由大量重复体节构成，拥有很多冗余结构，不同体节之间可互为备份，其可扩展性和可靠性也大大提高，因此在一些对可靠性要求很高的领域也将大有可为，比如***事、航空航天等，美国航空航天局已经在开展蛇形机器人在航天领域的应用研究。
2 蛇形机器人的研究现状
近些年来，蛇形仿生机器人的研究正在成为全世界研究的新热点。主要有两方面的原因：首先，仿生机器人学在机器人领域占有越来越重要的位置，由于蛇自身结构的典型性，蛇形机器人成为了仿生领域的热点研究方向；其次，运动机理特殊的蛇形机器人有广阔的应用前景，且其模块化结构和高冗余度非常适应于条件非常恶劣而又要求高可靠性的战场、外层空间等环境。国外在这方面的发展起步比较早，并具有丰富的研究经验，近几年来，国内也己经有单位开展这方面的研究，例如国防科大与中科院沈阳自动化所，并取得了很大的成效。
2.1 国外的发展状况
目前，在蛇形机器人领域，国内外都有不少研究，其中不乏伎伎者。在国外，曰本东京工业大学的Hirose教授W是较早进行送方面研究的。他在1972年设计了一个由多个相同体节构成，具有2维运动能力的蛇形机器人ACM-R1。这条样机长2m，重28kg，共有20个体节，每个体节都有***动力电路，并带有两个从动轮。此后他所带领的机器人团队（H.FRobotLab）又研制了一系列样机。这个系列中，ACM-R3长1.8m，重12kg，开始拥有三维运动能力，每个体节拥有一个自由度，三维运动能力是通过相邻体节的旋转轴互相垂直来实现的，体节上的轮子是没有动力的从动轮：ACM-R4长1.1m，重9.5kg，有9个体节，结构与ACM-R3类似，但是每个体节上的从动轮变成了主动轮。ACM-R5是ACM-R3的另一种变体，它长1.6m，中6.5kg，也拥有3维运动能力，但是他是每个体节都拥有2自由度，且2自由度的旋转轴处于同一平面且互相垂直，此外，ACM-R5还做了防水设计，且平均密度与水很相近，仅仅略微小于水，所以可以在良好地在水中运动。
2.2 国内的发展状况
在20世纪70年代后期，我们国家对机器人的研究基本上还停留在理论的探讨阶段在1986年我们国家成立了863计划，这是一个高技术发展计划，并把机器人技术作为一个重要的发展主题，国家投入大量的资金开始进行了机器人研究，使得我们国家在机器人这一研究领域得到了迅速地发展国防科技大学开发研制了我国的第一台微小型仿蛇形机器人，它的问世，标志着我国机器人研制技术又有了新的突破。它能像蛇一样扭动身躯，在地面或草丛中自主的蜿蜒运动，可实现前进、后退、拐弯和加速。与国内外同期研制的蛇形机器人相比，这种机器人的重大创新表现在：具有地面识别能力，能够根据地面特征自主选择运动方式；具有空间三维运动能力及多种运动步态，机器人不仅能够在平面上进行蜿蜒运动，还能实现侧移、伸缩和翻滚的三维运动：机器人身上带有GPS（全球卫星定位系统），能够实现在野外的自主导航。
3 蛇形机器人研究的主要内容
蛇形机器人的研究内容主要概括为以下几个方面：
（1）蛇的运动原理分析
近几年来，对蛇形机器人的研究逐渐从有轮运动向无肢运动过度，蛇形机器人研究者也开始从机器人的运动角度来研究蛇的运行原理，这也是蛇形机器人设计的大前提。
（2）蛇形机器人的机构设计
蛇形机器人的机械结构设计是研究的重点和核心，在进行机械结构设计时，必须综合考虑蛇形机器人的运动难度、控制方式、电源传输方式、通讯情况等方面。
（3）蛇形机器人的运动形式
对蛇形机器人的运动形式的研究可以从两个方面出发，一是根据自然界中蛇的运行特点，研究并且提出适合特定蛇形机器人的运动步态；再就是根据蛇形机器人本身设计的机械结构建立物理模型，并提出控制算法来研究它的运动原理。
（4）蛇形机器人的控制方法
对于高冗余度结构的蛇形机器人系统来说，不管是在硬件控制上还是软件控制上，不能不说是一种高难度的挑战。
（5）蛇形机器人的环境辨识及目标跟踪
蛇形机器人应用的目的就是对复杂环境进行辨识以及对目标物体进行跟踪，对环境的辨识包括对周围障碍物的辨识和对地面路况的辨识，可以实时地把周围复杂环境的情大连理工大学硕士学位论文况传送到PC机的终端，以便预先决定机器人采用什么样的运动方式，提高机器人的环境适应性和运动能力。
（6）蛇形机器人的智能控制
主要完成从蛇形机器人上层的自主决策到下层的运动控制，真正意义上实现蛇形机器人的智能化，当然，这也是蛇形机器人研究的终极目标，其智能控制方法可以借鉴其他研究领域智能控制研究的成果。
4 项目资助分析
随着国内外对蛇形机器人的关注度不断提高，对该领域的研究在不同国家得到格外重视 均取得了高水平的科研资助。日本对蛇形机器人的资助，主要包括***、科学、体育、文化、财***资助科学研究先进机器人。研发的创新工程项目，国际救援系统研究所和国立地球科学防灾研究所共同资助的社会防震减灾项目等。美国对蛇形机器人研究受到了国家科学基金、***高级研究计划局等的顶级资助，而且也得到了海***青年研究学者部门的资助
在我国，蛇形机器人研发同样倍受重视，得到了国家、省地方的重点资助，其中包括国家自然科学基金 国家高技术研究发展计划（863计划）、中国科学院知识创新工程青年人才领域前沿项目北京市科技计划项目、北京市教委创新能力提升计划项目、中央高校基本科研业务费专项资金项目、湖南省张花高速公路支持项目、交通运输部西部交通建设科技项目等资助。
5 结论与展望
尽管目前对蛇形机器人的研究已取得了一定的研究成果，但为提高其适应能力，未来的工作需要从不同角度对蛇形机器人进行深入研究。在运动能力方面 三维运动能力将全面提高蛇形机器人的运动能力，满足适合复杂的、非结构环境的需要。同时，将会加快并完善机器人由地面运动向水下运动的研究，结合生物蛇的其他运动能力，直立、攻击等运动的研究也会逐渐走进视线。随着蛇形机器人多功能高集成化发展，大数据无线传输技术将会促进控制系统软件、硬件向人机交互多智能系统发展 相信未来的蛇形机器人能够胜任复杂、恶劣、危险环境的工作要求。
参考文献
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