中国机器蛇无孔不入[通用技术课程网]

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中国机器蛇无孔不入

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中国机器蛇无孔不入

［作者：weng1984 来源：通用技术课程网点击数：更新时间：2007-8-6 文章录入：weng1984 ］

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前不久，笔者在国防科技大学看到了我国第一台蛇形机器人。这条长1.2米、直径0.06米、重1.8公斤的机器蛇，扭动着身躯，在地上蜿蜒爬行，只见它一会儿前进、后退，一会儿拐弯和加速，其最大前进速度可达每分钟20米。安装在机器蛇头部的视频监视器，将机器蛇运动前方的景象实时传输到后方的电脑中，科研人员根据实时传输的图像，不断向机器蛇发出各种遥控指令。更为引人入胜的是，这台蛇形机器人还能像蛇一样在水中游泳，披上“蛇皮”后的机器蛇似乎更像蛇了，它在水中摆动的身躯在水面激起层层涟漪。
　　
　　“无肢运动”：吸引全球科学家
　　
　　据有关专家介绍，蛇形机器人是一种新型的仿生机器人，与传统的轮式或两足步行式机器人不同的是，它实现了像蛇一样的“无肢运动”，是机器人运动方式的一个突破；因而被国际机器人业界称为“最富于现实感的机器人。”发达国家十分重视蛇形机器人的研制和开发。日本是最早开展蛇形机器人研究的国家，东京科技大学于1972年研制出世界上第一个蛇形机器人，其速度可达40厘米／秒。而美国的蛇形机器人研究则代表了当今世界的先进水平，2000年10月，美国航空航天局在加利福尼亚装备研制中心展示了一种用于太空探险的蛇形机器人，这种机器蛇的外形和眼镜蛇、响尾蛇的外形很相近。据悉，过去以轮子作为行走工具的机器人，往往会在粗糙而陡峭的地形上被卡住或摔倒，而新型机器蛇在这种地面上却仍然可以行走如常，动作十分灵活，而这是目前类似的以轮子为基础的火星车无法做到的，同时它还具有探测、侦察等多种功能。
　　
　　灵感来源：《动物世界》
　　
　　谈到这条蛇形机器人的研发过程，熟悉的人都说，这不亚于一场艰苦的科技创新攻坚战。2001年4月的一天，中央电视台《动物世界》栏目正在播放一个介绍蛇的节目，正在看电视的国防科技大学99级硕士研究生张代兵被节目内容深深地吸引住了，蛇的特殊生理结构和运动方式使他产生了浓厚兴趣，联想到国外有关仿生机器人研制的信息，张代兵萌发了一个大胆的想法：研制中国的机器蛇。
　　
　　张代兵的想法得到各级领导与导师的支持和鼓励。与他同专业的潘献飞、谭红力、田菁和机械设计专业的周旭升4名研究生也加入到“造蛇”的行列。"浓烟烈火、坍塌废墟，这都是对生命的挑战，就如‘9·11’后的世贸中心废墟，救援人员要冒生命危险去营救，如果能替代救援人员去探测受困人员的方位，能探视出废墟内的情形，那将大大地增加了救援行动的安全系数。"潘献飞说，“我们研制的时候就模拟这样的情形。“提起研发这条机器蛇的过程，潘献飞似乎有点羞涩地说：”大概是4月份，张代兵向我们几位师弟师妹提出要研制‘蛇形机器人’的设想。他说，蛇无处不到，体积小，行动灵敏，活动范围大，隐蔽性强，爬行能力强。因为我们都是学导航制导专业的，当时就灵感一来，想如果把一个制导器放在蛇的身上，那么就可以‘无孔不入’，还极为隐秘，有利于侦察行动。”
　　
　　造蛇开始：艰难的历程
　　
　　2001年4月底，国防科技大学建校以来第一个全部由在读研究生组成的课题组成立了。研制机器蛇，首先必须了解蛇的生理结构和运动原理。他们的第一项工作就是像生物专业的学生一样，对蛇进行观察和研究。图书馆有关蛇类的书籍几乎都被他们翻遍了，他们一边苦读一边到动物园观察蛇类运动，甚至跑到野外寻找蛇的踪影。功夫不负有心人。他们终于对蛇的生理结构和几种主要运动方式摸了个一清二楚。如蛇的横向波动，就如同波的传播一样，是通过横纵向摩擦力大小的不同产生向前的动力；而蛇的伸缩运动则是像风琴一样折叠前进，蛇体的一部分保持静止不动，其他部分向前运动。此外他们还研究了蛇的侧向和直线等运动方式。
　　
　　如何用一种机械机构来模仿生物蛇一样的运动呢？张代兵等5名研究生决定采用多环节刚体来制作机器蛇的身体，每节之间用连杆相连，通过控制每个环节的相对运动角度使蛇体达到模仿生物蛇运动的目的，确立了机器蛇的设计思想。他们根据各自的特长进行了分工:周旭升是机械设计方面的高手，负责设计蛇形机器人的机械结构；潘献飞和谭红力本科时就爱摆弄单片机集成块，还在全国大学生电子制作大赛中拿过奖，由他们负责硬件电路和软件程序；田菁是小组里惟一的巾帼，曾获国际大学生数学建模竞赛一等奖，自然是蛇的运动模型、动力学分析的最佳人选。而组长张代兵则负责总体设计和协调。课题研究刚起步，他们首先遇到的难题就是电机选型和配置问题。过去上实验课时，电机都是老师事先准备好的，大家对电机的型号缺乏了解，对电机市场则更是知之不多。于是他们向研制类人型机器人的马宏绪博士请教。马博士立即放下手头工作，帮助张代兵分析比较各种电机的优劣，最后决定选用一种伺服电机。谭红力就在网上发布求购信息。接下来，他们就忙着进行仿真分析、做模型、编程序、调试电路，不断地进行修改和完善。9月初，他们终于可以将机器蛇组装进行调试了。张代兵等5人兴致勃勃地来到实验室，将机器蛇连接到计算机上，期待着“蛇”流畅蜿蜒运动那激动人心的一刻。然而，他们辛辛苦苦造出来的“蛇”却只会原地抖动，不会蜿蜒前进。
　　
　　大家虽然有些失望，但并不气馁。一有空他们就聚在一起开“诸葛亮会”，集思广益，从源程序代码的一字一句到运动算法的思想和方法，每一个可疑点都不放过，大家反复讨论、修改，不断进行受力分析实验。经过了几个不眠之夜，他们终于解决了技术难题。之后的１个多月时间里，他们又克服了一系列困难，将8节蛇身加长到了16节，增加了无线监视和控制系统，使机器蛇摆脱了电缆的束缚，游出实验室，走进大自然。
　　
　　一蛇三用：侦察、探测及救援
　　
　　国防科技大学是我国最早开展机器人研制的单位之一，继1990年研制成功我国第一台两足步行机器人之后，又于2001年研制成功了我国第一台类人型机器人。这次该校５名研究生研制成功的我国第一个蛇形机器人，标志着我国已成为当今世界具备“蛇形机器人”研制能力的少数国家之一。国防科技大学有关专家称，几名在读硕士研究生敢于向国家尚未立项的“蛇形机器人”研究领域进军，并在很短的时间内将设想变成现实，在国内实为罕见。这表明，我国在读研究生的科研动手能力已产生了质的飞跃。
　　
　　有关专家认为，机器蛇具有结构合理、控制灵活、性能可*、可扩展性强等优点，在许多领域有着广泛的应用前景，如在有辐射、有粉尘、有毒环境下及战场上执行侦察任务；在地震、塌方及火灾后的废墟中寻找伤员；在狭小和危险环境中探测和疏通管道；它还可以为人们在实验室里研究数学、力学、控制理论和人工智能等提供实验平台。
　　
　　小寒
　　
　　文章来源：《大众科技报》　

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