蛇形机器人大探秘

随着仿生技术的不断进步和机器人领域的不断拓展，仿生机器人的研究逐渐成为国内外学者研究的热点，也使得仿生机器人的应用领域得以迅速扩展。这不，近日特斯拉的一款蛇形自动充电装置的视频悄悄的登上了热搜榜。

从视频来看，该自动充电装置能够在车辆停泊到车位后自动寻找特斯拉的充电口，然后该自动充电装置像蛇一样弯曲自己的肢解，使自身的充电端口与特斯拉充电接口对接充电，整个充电结果过程完全不需要任何人工的参与，该自动充电装置完全可以自主操作，当真是魔性至极。

蛇形机器人结构类型初识

生物蛇由于其爬行过程中身体紧贴地面，从而有效降低了运动重心，使得其运动具有较强的稳定性；同时其运动过程中是通过身体的摆动与地面摩擦从而获得前进动力，使得其有较强的自主避障能力；综合其以上身体结构的优越性、环境适应能力和在地面稳定运动的特点，因而受到了国内外机器人研究人员的极度关注，蛇形机器人的研究也开创了仿生机器人研究的新领域。

由于生物蛇活动模式的灵活多变性和稳定性，所以目前国内外的蛇形机器人研发机构大都采用由多个相同的单元体模块首尾串联依次连接而成的模块化机械结构，同时每个模块又都有自己独立的驱动和控制系统，使得其可以在有限范围内产生相对运动。通过微型控制器有序控制各模块的运动序列，还可以使蛇形机器人实现多种运动形式。当然，根据机器人的应用场景不同，还可以在机器人本体上加装摄像、喷水、对话及传感装置。关节的选取至关重要，其将直接决定了蛇形机器人的运动模式，通过关节的相互协作，会使蛇形机器人产生蜿蜒、侧向、螺旋等多种不同的运动模式。而目前应用最广泛的关节种类有以下如下4种，分别是仅能做二维平面内的运动平行连接关节、能够完成三维空间运动正交连接关节、灵活度最优但制造要求较高的万向节连接关节和可实现横向转动的P-R 关节。

国外研究追踪

1972年，日本东京大学的Hirose教授成功研制了的第一台蛇形机器人-ACM（Active CordMechanism）蛇形机器人。为与地面有效地接触，该机器人的腹部安装了脚轮，依靠伺服机构来驱动关节左右摆动。该蛇形机器人总长为2m，具有20个关节，能够实现最大速度为40cm/s。继第一台蛇形机器人之后，Hirose教授的技术团队又先后研制了先后研制了ACM二代、三代、四代和五代蛇形机器人。通过Hirose教授技术团队的不断努力和完善，该蛇形机器人已能够在三维环境中运动，并且能够完成多种较为复杂的空间动作，此蛇形机器人的研究也推动着该类机器人成了仿生机器人中的最热研究领域。

20世纪80年代初，德国Karl.L.Paap成功研制的GMD蛇形机器人。该机器人采用绳索驱动并安装了红外线传感器来检测环境信息，使得其具有较好的柔性、较强的灵活性以及环境适应性，但该机器人存在着一个明显的缺点，就是于受到机头的重力作用，当蛇头抬起时可导致其他关节向下弯曲，从而造成控制失灵的现象，导致无法正常工作的结果。

1992年，美国INTERVEL公司的米勒，研制了世界首款最具现实感的蛇形机器人人-S5。通过应用微处理器控制、伺服控制和无线电控制技术，使得该机器人能够像蛇一样在地面爬行。

随后，美国卡耐基梅隆大学研制出了CMU蛇形机器人，并将其应用于废墟搜救等领域。

1999年，美国宇航局通过改进之前由卡耐基梅隆大学研制的CMU蛇形机器人，研制出了应用于太空、行星地表探测以及空间站维护工作的NASA蛇形机器人。该蛇形机器人长而细，具有收缩、侧行和越障功能，可以灵活地在复杂的行星表面穿梭，并独立规划路径以达到避障的效果。至此，科学家完成了蛇形机器人雏形的开发，一个微处理器与身体各部分通过线路连接在一起，微处理器通过命令控制身体各部分工作。

随后，蛇形机器人的研究如雨后春笋般蓬勃了起来，如斯坦福大学的柔性机器人研究团队研制出的一种蛇形机器人，它可以向藤曼一样向前延展，并进入到救援人员难以到达的地方。

又如卡耐基梅隆大学的一个研发团队发明的用于搜索和救援的遥控蛇形机器-Murphy。该机器人配有照明灯、摄像机和通话器等装置，使得操控者不仅能够看到被困在碎石中的受困者，而且还能与之进行交流和心理疏导。

另外，挪威Kongsberg Martitme公司、国家石油公司、挪威科技大学联合研发的一种水下蛇形机器人，这款机器人可取代笨重的船只或设备进行水下清理工作，比如检查、清洁和调节阀门大小及清理管道堵塞等。

还有，日本东北大学等组成的研发团队研发的一款蛇形机器人，可以通过喷射空气从而抬高摄像装置的前端部分，使得其可以穿越较高的障碍物，从容地在废墟内部展开搜索。

国内研究报道

国内对蛇形机器人的研究略晚于国外，但技术发展较为迅速。

1999年3月，上海交通大学成功研制了我国首台微小型仿蛇机器人样机。该机器人由一系列刚性连杆连接而成，可通过步进电机控制连杆机构使得机器人运动。

2001年，中科院沈阳自动化所，以马书根为核心的机器人研发团队基于可重构理念研制出了蛇形机器人巡视者。该机器人可以手动组合成不同结构，从而实现不同的空间运动，如蜿蜒、伸缩、侧向及翻滚等动作。

在此基础上，该团队于2002年又成功研制出了具有16个自由度的蛇形机器人探查者。该机器人由关节模块、蛇头和蛇尾组成，通过电池供电和监控系统的无线控制，可实现蜿蜒前行和侧移等多种动作，并可通过蛇头上安装的摄像装置传递现场图片，该蛇形机器人为我国星球探测和灾难救援等领域的应用提供技术支持。

与此同时，国防科技大学于2001年也研制成功了一款能像蛇一样扭动身体，在地面和草丛中爬行的蛇形机器人。该机器人头部是控制中心，并安装有摄像专职，可实时将现场图片传输至操控中心，并实时遥控蛇形机器人做出各种避障动作。

进入21世纪以来，随着传感技术、监控技术、智能控制技术、以及机构的柔性化控制技术等的发展，使得各类蛇形机器人层出不穷。

如2016年中国航天科工研发的一款一款蛇形机器人-海底管道漏磁内检测设备，该机器人可以对海底管道进行漏检，也打破了国外在该行业上的垄断。

又如，2017年中山大学黄凯教授及其研发团队的开发的蛇形机器人样机，该机器人具有有15个模块化、头部及尾部关节，可以完成包括侧行、前行等，管道攀爬运动等平面运动；同时具有视觉功能，可以识别跟踪特定目标。

还有，2018年7月5日，展览于第七届中国国际机器人展览会上的沈阳新松机器人自动化股份有限公司的蛇形臂机器人。据介绍，该蛇形臂机器人拥有12个关节、24个自由度，可以平稳、灵活地避开障碍物，并支持远程遥控，适合核检修、航空航天装配以及狭小领域勘察应用。

蛇形机器人的应用

蛇形机器人作为新型可移动的柔性机器人，由于其细长身体的合理结构、多种运动步态的控制灵活度、可以通过多种崎岖复杂的路段的可靠性能、具有攀爬立柱运动能力的可拓展性、能够适应复杂多变的环境等一系列优点，逐渐在众多领域得以应用，如在有毒气、粉尘、辐射、高温，低温及战场环境下执行侦察任务；在地震、塌方及火灾后的废墟中搜寻伤员；在狭小和危险条件下探测和疏通管道等。它们依靠自主的运动模式和较强的适应能力，将被广泛应用于更多人类难以完成的艰巨而又复杂的作业，从而使人类从繁重、危险、单调乏味的工作环境中解脱出来，代替人们完成繁重危险的工作。因此被广泛应用到军事领域、科学探险、救灾抢险、工业检测等多个领域，具有广泛的应用前景。

军事领域：由于蛇形机器人的易于伪装、隐蔽性高、结构紧密和高集成化等特点，使其能够满足侦察、巡逻等军事需求，并且可通过空中投放到敌方阵地，利用自身携带的图像采集设备和雷达监测器，完成侦察、探测、避雷和窃取情报等任务。未来的蛇形机器人还可装备一定的弹药，完成攻击或自爆等任务。还可以用用于具有一定未知危险系数的星球进行地质勘探及对航天设备外部零部件的维修工作。

民用及工业领域：由于蛇形机器人结构的细小性、灵活性、超强的环境适应能力和易于控制等特性，可以在地震和火灾现场搜救、井下毒体检测、管道故障勘察疏通、核电站辐射检查、桥墩侵蚀检查等人类不便进入或难于进入的高危险领域代替人们完成特殊任务。

随着科技的不断发展，机器人技术研究的不断深入，相信越来越多兼具灵活性、高能效、精巧性的蛇形机器人将不断问世。而随着应用领域的不断挖掘和需求，越来越多的蛇形机器人也将应用于新的领域，发挥更大的实用性。