模块化智能蛇形机器人

　　摘要：随着科技与经济的发展，人们探索新世界的动力越来越强，但由于地势的复杂性为探索带来了不便，设计具有在复杂地形移动能力的智能蛇形机器人具有重要的应用意义。智能蛇形机器人以其多关节多自由度的显著优势进入人们的视线，它在结构上设计巧妙，可模块化、可重构性的特点让研究人员对它备受青睐。纤细的身体加上匍匐前进的运动方式，让它的运动稳定性和环境适应性都超出一般仿生机器人。现今的智能蛇形机器人领域，随已有各种设计机构，但在面对比较复杂或者未知的环境时，模块化、螺旋推进与蛇形机器人联系在一块将具有较好的发展空间。
　　关键词：螺旋推进；模块化；智能；蛇形；机器人
　　中图分类号：TB472
　　随着科技与经济的发展，如今关于各类探测形机器人的发展日新月异，已经得到广泛的普及。然而在一些特殊的情况下，例如雪地、沼泽、河流中，以轮子结构和履带结构为主要驱动力的机器人难以驰骋。一方面，近年来我国地震、火灾等灾害频繁发生，严重危及到人民的生命和财产安全。由于电缆检测、桥梁检测等高危行业作业直接夺走救援人员生命的案例时有发生，让人感到悲痛与惋惜。因此研制出一种能够代替或辅助人类完成危险作业的机器人很有必要。另一方面，当前人们探索新世界的动力越来越强，但以普通结构驱动的机器人仅能在较硬的路面上行驶，这阻碍了人们对未知世界探索的步伐和一些领域的探索。
　　与许多陆地动物相比，蛇或类蛇型的动物可以在许多复杂的地形运动，例如，沙漠，树林，沼泽湖泊等两栖环境。因此，通过模仿蛇类动物的生理特点，设计具有在复杂地形移动能力的蛇形机器人具有重要的科研及应用意义。传统的刚性机器人虽然可以在海陆空环境中运行，完成多种功能的任务，例如地面轮式机器人，履带式机器人的运载任务，水中无人舰艇的探测打击任务。但是在一些复杂狭窄崎岖环境下，无法产生理想的工作性能，甚至无法工作。蛇形机器人也以其多关节多自由度的显著优势进入人们的视线，它在结构上设计巧妙，可模块化、可重构性的特点让众多研究人员对它关注有加。纤细的身体加上匍匐前进的运动方式，让它的运动稳定性和环境适应性都超出一般仿生机器人。
　　现今的蛇形机器人领域，已经出现了很多种机械结构设计，各种典型运动形式及各种控制方法，比如蜿蜒运动、伸缩（尺蝼）运动、侧向运动等。而现今的蛇形机器人除了具备常见经典的运动能力外，只具备非常有限的自主运动能力，在面对比较复杂或者未知的环境时，往往没有可圈可点的表现。为此使模块化蛇形机器人具有较好的发展空间。
　　1智能制造业现状
　　随着德国政府工业4。0战略的提出，中国政府相继颁布实施中国制造2025战略，开启了智能制造时代。在智能制造时代主题下，制造业要向智能化转型，实现集中式控制向分散式增强型控制转变，最终建立一个高度灵活的个性化和数字化的产品与服务生产模式〔1〕。在国家战略下，我们潜力研究螺旋推进模块化智能蛇形机器人，希望使它能够得到更好的发展与应用。
　　1。1人工智能机器人
　　人工智能，是基于计算机科学、信息论、控制论、语言学、神经学、心理学、哲学、数学等多种学科相互渗透而发展起来的综合性新技术。自21世纪初至今，人工智能的应用正在引发链式突破，推动各行各业发生深刻变革。智能机器以人工智能技术和大数据为基础，在人工设计的软硬件系统控制下，进行运算、判断、操作，完成之前只能由人类大脑才能完成的工作。智能机器在人类认识自然、改造自然过程中将会对人类社会产生深远影响〔2〕。
　　1。1。1人工智能机器人在制造业中作用
　　智能机器之所以具有比使用手工工具更高的劳动效率，是由机器的技术逻辑所决定的。相对于人工对于复杂工作的处理，智能机器具有更大的优势。机器对复杂动作的分解机制，在人工智能中就体现为对复杂的信息处理活动的分解，直至将其简化为0和1的二进制数字运算。一切复杂的人工智能现象，都是基于这一信息分解的过程而形成的。这使得智能机械相比于人工来说具有更大的工作效益。
　　1。1。2人工智能机器人的意义
　　当前人工智能快速发展，呈现出深度学习、跨界融合、人机协同、群智开放及自主操控等新特征，从而推动经济社会各领域从数字化、网络化向智能化加速跃升。不管是在制造业还是其他方面，人工智能都具有非常重大的现实意义。例如：人工智能在教育中的主要作用。国外有关研究证明：将人工智能结合到在线测试系统设计中，能有效解决来自教师、单一教学模式以及当下其他大学英语教学存在的问题，诊断学习者的问题，并给予学习者行之有效的人工智能训练之体验，从而有效增强学习者的自主学习意识，强化学习者的自主学习能力，提高教学质量〔3〕。当然这只是举得一个例子，现实生活中还有很多例子，再次就不在一一赘述。
　　1。2蛇形机器人
　　蛇形机器人以其多关节多自由度的显著优势进入人们的视线，它在结构上设计巧妙，可模块化、可重构性的特点让众多研究人员对它关注有加。纤细的身体加上匍匐前进的运动方式，让它的运动稳定性和环境适应性都超出一般仿生机器人。
　　1。2。1蛇形机器人在制造业中作用
　　随着现代制造业日星月异的高速发展，对于有些精密制造业要求越来越高，这些精密制造行业工况也发展的越来越恶劣，生产效率及生产成本要求越来越高。人力资源在这些制造业中的局限性也愈来愈额明显，从而催生出精密小巧机器人在现代制造业的广泛运用。
　　1。2。2蛇形机器人的意义
　　蛇形智能机器人不仅仅在制造业具有很大的作用，在其他方面依然具有很大的优势。例如：在废墟搜索救援方面。近年来多发的自然灾害和人为的灾祸已使人们把注意力集中在紧急事件的处理和营救上。废墟救援人员应该在灾难发生48小时以内找到幸存者，否则发现幸存者的机会几乎是零。因此，在灾难（如地震）发生后，要求废墟搜索救援人员迅速而高效地寻找和救援幸存者。由于其环境适应能力强，因此，在废墟搜索救援工作中，具有广阔的应用前景。当然蛇形机器人在军事侦察攻击、水下地下管道探测等非结构环境下的自主作业方面也具有很大的意义。
　　1。3其他类机器人
　　智能制造的终极目标是要实现产品及其制造过程的最优化，获得高效、优质、柔性、敏捷、低耗、宜人等效果。在这个过程中，机器人的各种类型的发展也越来越多样化，例如：操作型机器人、程控型机器人、数控型机器人、学习控制型机器人等等。
　　1。3。1其他类机器人制造业中作用
　　当今随着技术的不断发展，机器人的种类越来越多，这对于社会各方面都提供了巨大的便利，特别是在制造业方面。例如以下几种机器人，操作型机器人：能自动控制，可重复编程，多功能，有几个自由度，可固定或运动，用于相关自动化系统中；程控型机器人：按预先要求的顺序及条件，依次控制机器人的机械动作；数控型机器人：不必使机器人动作，通过数值、语言等对机器人进行示教，机器人根据示教后的信息进行作业；学习控制型机器人：机器人能体会工作的经验，具有一定的学习功能，并将所学的经验用于工作中。这几中机器人都为当今制造业产生不同程度的影响。
　　1。3。2其他类机器人在制造业中意义
　　在国家政策的鼓励支持下，在市场经济和国际竞争愈演愈烈的未来，机器人主要具有安全、低成本和易于上手等的特点，因此完全自主制造出自己的工业机器人具有重大意义，并且将工业机器人推广应用到制造与非制造等广大的行业中，提高我国劳动力成本，提高我国企业的生产效率和国际竞争力，从整体上提高我国社会生产的安全高效，从而为实现伟大祖国的复兴夯实地基〔4〕。
　　2智能蛇形机器人系统
　　机械系统是机电一体化系统的最基本要素，主要用于执行机构、传动机构和支承部件，以完成规定的动作，传递功率、运动和信息，支承连接相关部件等。
　　2。1控制系统
　　系统的信息交互分为人和机器人通信，机器人之间通信，传感器与机器人或人的通信，可将它们归纳为mantomachine和machinetomachine两种通信形式。从通信内容上，分为从高层到底层的控制命令信息和由底层向高层反馈的或者机器之间传递的状态类信息。目前，即时通信模型有CS、BS（browserserver）和P2PCS模式适用于需要对系统资源进行合理分配调度的集中式组织结构，P2P模式适合于灵活性和动态性较高的分布式组织结构，针对图2的组织结构形式，构建一个融合CS模式和P2P模式的混合网络通信模型。远程客户和机器人控制机作为客户端与服务器（智能中心）组成CS通信模型，用户可以通过服务器对机器人实施远程集中控制。服务器作为信息处理中心，实现远程客户端和机器人控制机的双向通信。机器人之间构建P2P通信模型，实现机器人状态的信息共享。
　　2。1。1基于CS模式的人机远程控制系统设计
　　远程客户端到服务器再到机器人控制机传递的是控制命令信息，对数据的准确性和安全性要求较高，故采用基于TCP协议和Socket技术的CS模式实现信息传输，然后在此基础上定义应用层协议，将传输的字节流翻译为通信双方认识的价值信息，即为机器人控制命令，最后设计基于反射机制的解释器，将控制命令转化为可运行的机器人驱动程序，控制机器人运动。
　　2。1。2基于P2P模式的机器人间的信息通信系统设计
　　P2P模式的机器人之间通信是以广播的方式分享信息，系统有较高的实时性机器人之间没有主从关系，彼此传递的是机器人状态类信息，信息量较大，因此使用提供大数据流服务的UDP（userdatagramprotocol）协议实现信息传输，确保传输速度快，信息的准确性在应用层协议解析时加以控制状态类信息通信是一种对数据质量要求不太高但信息量较大的组内通信系统，选用Socket技术中的数据报套接字实现信息传输。所有的机器人控制机都加入一个共同的组播，组播内信息共享。以自定义状态类信息应用层协议实现信息翻译，转化为各自认识的价值信息，实现了机器人间的通信〔5〕。
　　2。1。3步进电机控制系统
　　步进电机是将输入的脉冲转化为相应的角位移或直线位移的执行元件。其输入量为脉冲序列，输出为相应的角度或直线增量。在正常的工作状态下，输入与输出具有严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。由于其输入为数字量，适合直接使用数字电路进行控制。步进电机的步距角由转子齿数及相数决定，由于结构限制，不能做到太小，因此限制其应用。近年来，随着细分驱动技术的发展，步距角大为减小，且输出力矩不断增大，使得步进电机在速度及负载有较宽变化范围时，实现平滑稳定的运动，扩展了其应用范围。常用的步进电机控制方法有开环控制和闭环控制两种。闭环控制采用附加的编码器检测电机转轴位置形成闭环，并采用模糊逻辑等控制策略，其系统成本和实现复杂度较高。事实上，由于驱动技术的发展，电机跟踪输入脉冲的能力不断提高，再通过合理的加减速曲线设计，可以有效地避免丢步的现象。由于其实现简单，控制精度能满足大多数需求，开环控制是步进电机的主要控制方式〔6〕。
　　2。2故障诊断系统
　　从第二次工业革命开始，人类进入了电气时代，发展到现在，人类生产生活中大部分的负担大条件恶劣的工作已经基本都交给了电子机械等设备来完成。电子机械设备凭借其对复杂环境的耐受能力，能够完成很多人类完成不了的工作。在当今工业化的时代，工业机器人的高效安全工作对生产和生活都有着非常重要的意义。因此，准确采集工业机器人的运动数据，提高工业机器人的工作质量，才能达到对工业机器人的的安全性能提出来的越来越高的要求〔7〕。
　　2。2。1模型诊断方法
　　基于模型诊断方法，其主要是在已经存在的清晰模型诊断系统当中国，借助相关模型，获得相应数值以及实际采集的数值对比，获得一定的残差，借助这些残差以及特定指标的比较，得出相应诊断结果。以模型为基础的诊断方式，如状态估计和参数估计、等价空间等。其中状态估计法，主要是建立起一个系统状态的观测仪器，然后对系统实际输出值以及经过状态观测器获得的估计值进行对比，从中能得到一个残差序列，这样便可以检出系统故障。参数估计诊断故障，其主要是将系统参数变化作为依据，对参数变化进行统计。而等价空间法，其中心内容是借助实际系统输入输出信号，同时对系统模型等价性作出检验，针对检测系统进行对比，并且对故障进行诊断。
　　2。2。2基于信号处理诊断方法
　　针对传统傅里叶变化频谱进行分析和诊断，其主要是被建立在信号为周期的信号，或者存在平稳性的基础之上的，系统必须为线性系统。而对于一些相对复杂的大型旋转机械而言，他们的震动信号多数情况下是非平稳性的信号，如傅里叶变换的诊断方式，他仅能够对频域信息进行分析，而时域信息已经丧失。进行时频分析，其主要目的是构建起一种，可以在相应时间以及频域之上，进行共同展示的信号能量分布，这种情况下能够找出故障特征信号。而针对典型的时频域方式而言，其中存在小波变换和Hilbert变换。
　　去除时频域分析方式外，还有盲分离技术，该技术同样属于信号处理和故障诊断领域当中的一项热点问题。盲分离主要是结合符合信号恢复独立的原始信号，可以对系统故障机理作出详细分析和诊断〔2〕。经验模式分析法，主要是对信号进行分解，使其形成有限拥有局部特征的信息本征函数，同时还可以试试希尔伯特变化，获得包络普，从中选择出可以代表故障的信息。EMD算法主存在端点效应以及模式混淆方面的问题。与此同时，时谱分析方式，同样可以对信号处理故障进行有效分析和解决。
　　2。2。3基于知识诊断方式
　　基于知识诊断方法，因为该方式无需故障系统具有相对精确的数学模型，其逐渐得到广泛重视。当下，应用其进行故障诊断，主要有专家系统、支持向量机和故障树诊断方式等。其中专家系统能够实时收集数据，并将这些数据应用在知识库当中，结合已有规则对其进行推理，并且结合实际情况，针对推理策略进行不断地修改，最终找到系统故障具体类型。但是，存在只是数据库不够完善问题，因此对专家系统的确诊能力带来影响〔3〕。而支持向量机方式，一般在少数样本的背景下，针对哪些经过非线性变换的数据进行映射，时期传输到高维空间当中，同时能够及时找到故障类型〔8〕。
　　2。3反馈系统
　　反馈系统是基于反馈原理建立的自动控制系统。在机械运行时，会出现对统计信息的反馈受到信息随机性的干扰，导致反馈的准确性不好。为确保反馈的信息准确性，我们应该采取多种方式进行处理。根据系统的反馈原理，反馈控制系统可分为：负反馈控制系统、正反馈控制系统。
　　2。3。1负反馈控制系统
　　当一个系统的活动处于某种平衡或稳定状态时，如果因某种外界因素使该系统的受控部分活动增强，则该系统原先的平衡或稳定状态遭受破坏。在存在负反馈控制机制的情况下，如果受控部分的活动增强，可通过相应的感受装置将这个信息反馈给控制部分；控制部分经分析后，发出指令使受控部分的活动减弱，向原先的平衡状态的方向转变，甚至完全恢复到原先的平衡状态。反之，如果受控部分的活动过低，则可以通过负反馈机制使其活动增强，结果也是向原先平衡状态的方向恢复。所以，负反馈控制系统的作用是使系统的活动保持稳定。
　　2。3。2正反馈控制系统
　　在正反馈的情况下，受控部分的活动如果增强，通过感受装置将此信息反馈至控制部分，控制部分再发出指令，使受控部分的活动更加加强，如此循环往复，使整个系统处于再生状态。可见，正反馈控制的特性不是维持系统的稳态或平衡，而是破坏原先的平衡状态〔9〕。
　　3蛇形机器人的发展
　　智能机器人之所以叫智能机器人，这是因为它有相当发达的大脑。智能机器人能够理解人类语言，用人类语言同操作者对话，在它自身的意识中单独形成了一种使它得以生存的外界环境实际情况的详尽模式。它能分析出现的情况，能调整自己的动作以达到操作者所提出的全部要求，能拟定所希望的动作，并在信息不充分的情况下和环境迅速变化的条件下完成这些动作。总的来说，智能机器人的发展伴随着一定的过程〔10〕。
　　3。1智能蛇形机器人的起源
　　随着科技的进步，机器人的研究领域已经从结构环境下的定点作业中走出来，向航空航天、星际探索、军事侦察攻击、水下地下管道、疾病检查治疗、抢险救灾等非结构环境下的自主作业方面发展。伴随着仿生学的发展，人们把目光对准了生物界。而步行机器人的诞生，探索新的运动模式有了进展。同时由于自然界中无四肢动物的运动方式引起了学者的兴趣，仿蛇形机器人就在这种背景下诞生了〔11〕。
　　3。1。1蛇形机器人的运动模式分类
　　实验表明，蛇靠身体的变形与地面作用产生驱动力，蛇的典型运动方式为：（a）侧摆和起伏（1ateralundulation）：借助体侧面接触凸凹不平的地面所产生的力前进，身体各部分都有相似的运动轨迹。这种运动的特点为：效率高、需要的空间大、不适于在光滑表面运动、不适于体态庞大的蛇类运动；（b）直线运动（rectilinearlocomotion）：靠腹部和地面的摩擦力进行驱动，部分点与点之间有相对运动。其运动的特点为：适于笨重的蛇类运动、运动效率高；（c）伸缩运动（concertinamotion）：身体收缩成S形，前部前伸，后部收缩，循环向前运动。其运动的特点为：可以在狭小空间运动、运动效率低；（d）侧向移动（sidewinding）：从头部开始，身体部分顺次接地、抬起，完成前进运动，借助腹部与地面之间的摩擦力移动。其运动的特点为：效率相对高、适于柔软地面、不适于狭小空间。它在沙地环境中运行时，滑动摩擦阻力小，因而运动效率高，是一种很好的适应沙漠环境的运动形式。蛇的其他运动形式有：跳跃、绕身体脊椎的回转、利用障碍物推动身体运动、蠕虫运动、滑行冲击等〔12〕。
　　3。1。2形机器人的结构及其特点
　　仿照蛇的结构特点和运动机理，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，有的则利用平板增加运动和跨越的稳定型。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（1DOF）：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；2）球窝关节（2DOF）：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；3）柔性连接（2DoF）：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；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〔13〕。
　　3。2智能蛇形机器人的发展
　　由于仿生生物机器具有细长的身体，且具有独特的结构及特有的活动方式，使得它具有很强的环境适应能力和在地面稳定运动的特点，且其特性在机器人领域中是特有的存在，故它特有的优势使它拥有广阔的发展前景。过去围绕蛇形机器人的研究工作主要是蛇形机构的运动原理以及它的多种运动模式的实现，线合机器人的应用背景和自身特点，目前蛇形机器入的研究正朝以下两个主要方向发展〔14〕。
　　3。2。1构上自重构
　　机构的可重构是指一个机械系统由一种或几种相同的智能模块构成，不同数量模块的不同组合可以改变结构的形状和大小，以适应不同工作的影求。由于蛇形机器人具有模块化结构，因此通常在大的可重构移动系统中包括蛇形机器人环节，目前这样的系统有Polybot和CONR0。Polybot是一个自动可重构系统，具有两种模块类型，即连接块和成员块。连接中心和各连接模块采用电磁连接方式，实现了蛇爬行、四肢跨越、圆形滚动等各种运动方式；CONRO是由一系列的自治的、自给自足的模块组成，它由三种模块组成，连接中心、活动块、被动块。采用机械式连接，它可以自重构成机器蛇穿越管道和六腿机器人来爬楼梯等。然而，就蛇形机器人本身来说，由于它具有模块化结构，自身就是一个可重构的系统。因此近年来蛇形机器人向自重构的方向发展起来。目前无论是Hiroe研制的主动索状机构（ACM）蛇形机器人，还是Chirikjian和Burdickr研制的基于变几何结构桁架结构（GVT）的超冗余度蛇形机器人都不是自重构的蛇形机器人系统的自重构同样需要从机构和控制两方面考虑〔15〕。
　　3。2。2能量自给，运动自主
　　自给是从硬件方面来说，有线控制大大减小了蛇形机器人的移动范围，所以要求组成控制的硬件（电源、传感器、驱动器、CUP）集于一个板上，采用无线通讯，无线能量传送。由于一个模块就是一个智能主体，它必需有自己的CPU、能量来源。并能对自身的传感器和执行器的控制〔11〕。
　　3。3智能蛇形机器人的未来前景
　　随着机器人应用领域的不断扩大，仿生机器人的研究成为重要的科研方向。蛇形机器人不但适用于星际探索、军事侦察攻击、水下地下管道、疾病检查治疗、抢险救灾等非结构环境下的自主作业方面发展，它还可以用于避障、通过粗糙、平坦、光滑的表面，由于其多自由度的特点，它可以作为操作手进行危险情况作业，并实现三维空间运动，进行夹持、利用身体移动物体等，故由此我们可以得出其发展前景巨大〔16〕。总结：模块化智能蛇形机器人具有灵活性强、实用性强等优势，对于模块化智能蛇形机器人的设计研究大多用于救援现场，或者人无法进入的场所，如有辐射、有粉尘、有毒和战争环境下，可以通过机器人来协助完成工作任务。通过对蛇形机器人各个模块进行分体设计，简化了机器人单元之间连接结构，根据冲压件、注塑件零件设计原理，对机器人各零件进行简化设计，减小了传动部分的误差，增强了机器人的运动协调性、装配制造便利性，降低了机器人成本。模块化智能蛇形机器人控制系统的难点之一就是其庞大的控制系统，模块化分布式控制方式是其发展的必然趋势本研究基于模块化思想，研究模块化智能蛇形机器人的转向装置及其控制驱动模块的软硬件系统。不管是现在还是未来，模块化智能蛇形机器人都具有重要的战略地位。
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