蛇形机器人研究现状.ppt

机电控制基础与实践 （北航，沈阳自动化所，国防科大，国外） 王田苗 丑武胜 北京航空航天大学 机器人研究所 探索 生物学、仿生学、新材料、智能控制等方 面深刻机理。 开展多学科交叉领域的技术研究，通过综合实 验平台，推动机械设计、传感器技术、伺服控制 、人工智能、计算机科学等技术发展。 从事繁重劳动、危险作业、延伸人类大脑与四 肢、医疗康复等，服务于社会。 研究意义 手脚，扑翼，游动，蠕动 什么是微小型仿生机器人技术？ 没有严格定义 模仿自然界动物与人的行为，基于微小型机电系 统设计，研究机构、感知、控制与交互的机器人技 术。 微小型，尺寸相对较小，低功耗，高性能，微机 电系统设计 仿生，模仿自然界动物与人 机器人，帮助人类完成搬运、焊接、装配等任务 的可编程控制机械装置或系统，希望具备感知、规 划、控制、交互的功能 定义 发展趋势 仿生 多样 应用 日本京都大学研制的 蛇形搜救机器人 “ 莫伊拉 ” 仿生机构 日本东京工业大学研制的 废墟搜索机器人 北航 SOLIDSNAKE 蛇形机器人 概述 近几年来，仿生机器人学正 在机器人领域占有越来越重 要的位置。对于障碍物众多、 凸凹不平、以及狭窄地形等 环境，类似蛇形的机器人有 较大的运动优势，可以满足 多种用途。 北京航空航天大学机器人研 究所依托在仿生学领域取得 的研究成果，结合国内外蛇 形机器人的发展现状，发展 了 SolidSnake 蛇形机器人。 SOLIDSNAKE II SolidSnake II蛇形机器人充分考虑 了蛇类生物的运动特点，从仿生学 的角度，结合机器人动力学和摩擦 学等的相关理论，建立了基于行为 控制理论的蛇类运动学模型，把蛇 类生物的复杂运动形式化解为局部 的、简单的运动形式。 采用模块化设计思路，每个关节均 可很容易进行拆卸。机器蛇的 8个关 节整体形成一个高冗余度的结构体， 很容易模仿实现蛇体的复杂运动形 式。为了减少机器蛇的运动中的摩 擦阻力，在机器蛇两侧安装有从动 轮，实现了蛇体的平稳游动，增强 了蛇形机器人的灵活性和机动性。 采用轻型耐磨塑料制造蛇形机器人 的主要结构，既减轻了蛇体的重量， 又降低了加工的成本。 硬件结构 SolidSnake II蛇形机器人设有多 项预留位置，如配备局部控制器、 位置及力矩侍服器、从动轮锁死 装置等配套装置，可实现机器蛇 环境识别和自主运动。在机器蛇 的头部配置有红外线探测头，可 反馈对环境的监视数据。 在电路设计上采用 485总线联接。 上位机为 PC机控制，通过对总 线的定时轮询来实现随时插拔关 节。此设计能方便地实现替换任 意关节，能根据不同任务随时拆 卸 安装新的关节，甚至实现带 电插拔，极大的增强了蛇形机器 人的可靠性和耐用性。 蛇形运动 SolidSnake 蛇形 机器人在计算机的 控制下实现了蠕动 前进（后退）、游 动前进（后退）、 侧移、抬头，可在 一定程度上实现自 主运动。 扩展实验 SolidSnake II 搭建了完善的软 硬件开发平台， 为后续的研究开 发奠定了坚实的 基础。 随着研究的深入 展开，蛇形机器 人研究与应用一 定会有更广阔的 天地。 沈阳中科院自动化所蛇形机器人原理样机 样机具有模块化、可重构的特点，蛇形机器人原理性样 机能实现了蜿蜒、伸缩、上坡、跨障碍、侧行、翻滚等运动。 蛇形机器人功能样机 设计图 实物照片 蛇形机器人实验样机 型控制板 型控制板 钻洞探查 室内探查 抬头运动 爬坡运动 国防科大蛇形机器人 新型反恐机器人蛇形机器人 模块化、可重组机器人是在蛇形机 器人的基础上更进一步，模块化和可重组 的结合意味着： 机器人具有更好的经济性和可靠性； 机器人具有运动形式和功能上的多样性； 机器人能适应多种复杂环境，可完成的 任务种类更多。 蛇形机器人 蛇形机器人是一种模仿蛇类蜿蜒运动的仿生 机器人，它不同于传统的轮式或足式机器人， 实现了类似于生物蛇的 “ 无肢运动 ” ，这是机 器人运动方式上的一大进展。 蛇形机器人具有类似蛇的狭长体态，运动方 式独特，因此具有着广阔的应用前景 模块化、可重组机器人 主要功能 该样机长 1.0米左右，由多个结构和功能 完全相同的模块构成。 蛇形机器人 主要功能 蛇形机器人自身还携带无线摄像机，可以将现场 环境实时传回主控室，控制人员可以无线遥控指挥 蛇机器人的运动。 蛇形机器人 主要功能 该样机长 1米左右，每分钟可爬行 . 米，能做前进、后退、转弯、变速等动作 模块化、可重组机器人 主要功能 能组成蛇形构形 蛇形机器人 主要功能 可在普通路面、草 地等环境中爬行 蛇形机器人 主要功能 穿上 “ 蛇皮 ” 后还可在水中自由游动 模块化、可重组机器人 国内外机器蛇设计特点 美国宇航局 (NASA) NASA于 1999年开始 研究多关节的蛇形机器人 国内外机器蛇设计特点 德国人 Gavin.H从约 1997年开始从事蛇形 机器人的研究工作，到目前为止共设计并制 作了 S1,S2,S3,S4,S5五代蛇形机器人，图 2为 S5 国内外机器蛇设计特点 德国 GMD国家实验室也开发出了基于模块式 结构和 CAN总线的蛇形机器人，其结构为三 维关节 仿生动物（蟒蛇、水蛇、可重构） 理论方法问题，仿生静态与动态模型，复杂模型计算方法，基于 传感器变结构方法，往往是非线性、非定常问题， 多自由度灵巧机构，运动学与动力学，冗余与柔性，高效驱动装 置， 感知与模式识别技术，内部姿态，外部环境，距离、力觉、触觉 等，特别是视觉问题， 嵌入式控制技术：微小型硬件平台，高可靠性软件系统，高性能 实时学习技术，基于传感器的群体行为智能控制技术， 人机交互技术，通讯，时延，临境与虚拟现实， 微小型机电系统设计、加工、装配， 微、仿、多、遥、网 关键技术挑战性研究 方向 主要介绍了微小型仿生技术与机器人基 本内涵、研究意义、关键技术、发展趋势。 嵌入式芯片、微机电系统、新材料等方 面发展给微小型仿生技术研究带来了机遇。 智能仿生机器人是人类科学研究追求目 标，开展这方面研究不仅促进多学科发展， 而且广泛应用服务于社会。 结束语 谢 谢 大 家