模块化智能蛇形机械人

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，如今关于各种探测形机器人的发展日月牙异，已经得到广泛的遍及。
然而在一些分外的情形下，例如雪地、沼泽、河流中，以轮子构造和履带构造为紧张驱动力的机器人难以驰骋。
一方面，近年来我国地震、失火等磨难频繁发生,严重危及到公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接济职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赞助人类完成危险作业的机器人很有必要。
另一方面，当古人们探索新天下的动力越来越强，但以普通构造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天下探索的步伐和一些领域的探索。

与许多陆地动物比较,蛇或类蛇型的动物可以在许多繁芜的地形运动,例如,沙漠，树林，沼泽湖泊等两栖环境。
因此，通过模拟蛇类动物的生理特点，设计具有在繁芜地形移动能力的蛇形机器人具有主要的科研及运用意义。
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。
但是在一些繁芜狭窄波折环境下，无法产生空想的事情性能，乃至无法事情。
蛇形机器人也以其多枢纽关头多自由度的显著上风进入人们的视线，它在构造上设计奥妙，可模块化、可重构性的特点让浩瀚研究职员对它关注有加。
纤细的身体加上匍匐提高的运动办法，让它的运动稳定性和环境适应性都超出一样平常仿活气器人。

现今的蛇形机器人领域，已经涌现了很多种机器构造设计，各种范例运动形式及各种掌握方法，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，在面对比较繁芜或者未知的环境时，每每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计策”的提出，中国政府相继颁布履行“中国制造2025”计策，开启了智能制造时期。
在“智能制造”时期主题下，制造业要向智能化转型，实现集中式掌握向分散式增强型掌握转变，终极建立一个高度灵巧的个性化和数字化的产品与做事生产模式[1]。
在国家计策下，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运用。

1.1 人工智能机器人

人工智能，是基于打算机科学、信息论、掌握论、措辞学、神经学、生理学、哲学、数学等多种学科相互渗透而发展起来的综合性新技能。
自21世纪初至今，人工智能的运用正在引发链式打破，推动各行各业发生深刻变革。
智能机器以人工智能技能和大数据为根本，在人工设计的软硬件系统掌握下，进走运算、判断、操作，完成之前只能由人类大脑才能完成的事情。
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浸染

智能机器之以是具有比利用手工工具更高的劳动效率，是由机器的技能逻辑所决定的。
相对付人工对付繁芜事情的处理，智能机器具有更大的上风。
机器对繁芜动作的分解机制，在人工智能中就表示为对繁芜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。
统统繁芜的人工智能征象，都是基于这一“信息分解”的过程而形成的。
这使得智能机器比较于人工来说具有更大的事情效益。

1.1.2 人工智能机器人的意义

当古人工智能快速发展，呈现出深度学习、跨界领悟、人机协同、群智开放及自主操控等新特色，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：“人工智能在教诲中的紧张浸染。
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，能有效办理来自西席、单一传授教化模式以及当下其他大学英语传授教化存在的问题，诊断学习者的问题，并给予学习者行之有效的人工智能演习之体验，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，提高传授教化质量”[3]。
当然这只是举得一个例子，现实生活中还有很多例子，再次就不在逐一赘述。

1.2 蛇形机器人

蛇形机器人以其多枢纽关头多自由度的显著上风进入人们的视线，它在构造上设计奥妙，可模块化、可重构性的特点让浩瀚研究职员对它关注有加。
纤细的身体加上匍匐提高的运动办法，让它的运动稳定性和环境适应性都超出一样平常仿活气器人。

1.2.1 蛇形机器人在制造业中浸染

随着当代制造业日星月异的高速发展，对付有些精密制造业哀求越来越高，这些精密制造行业工况也发展的越来越恶劣,生产效率及生产本钱哀求越来越高。
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当代制造业的广泛利用。

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浸染，在其他方面依然具有很大的上风。
例如：“在废墟搜索接济方面。
近年来多发的自然磨难和人为的灾害已使人们把把稳力集中在紧急事宜的处理和营救上。
废墟接济职员该当在灾害发生48小时以内找到幸存者，否则创造幸存者的机会险些是零。
因此，在灾害(如地震)发生后，哀求废墟搜索接济职员迅速而高效地探求和接济幸存者。
由于其环境适应能力强，因此，在废墟搜索接济事情中，具有广阔的运用前景”。
当然蛇形机器人在军事侦察攻击、水下地下管道探测等非构造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，得到高效、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、学习掌握型机器人等等”。

1.3.1 其他类机器人制造业中浸染

当今随着技能的不断发展，机器人的种类越来越多，这对付社会各方面都供应了巨大的便利，特殊是在制造业方面。
例如以下几种机器人，操作型机器人：能自动掌握，可重复编程，多功能，有几个自由度，可固定或运动，用于干系自动化系统中；程控型机器人：按预先哀求的顺序及条件，依次掌握机器人的机器动作；数控型机器人：不必使机器人动作，通过数值、措辞等对机器人进行示教，机器人根据示教后的信息进行作业；学习掌握型机器人：机器人能“体会”事情的履历，具有一定的学习功能，并将所“学”的履历用于事情中。
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，机器人紧张具有安全、低本钱和易于上手等的特点，因此完备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运用到制造与非制造等广大的行业中，提高我国劳动力本钱，提高我国企业的生产效率和国际竞争力，从整体长进步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

机器系统是机电一体化系统的最基本要素，紧张用于实行机构、传动机构和支承部件，以完成规定的动作，通报功率、运动和信息，支承连接干系部件等。

2.1 掌握系统

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man-to-machine和machine-to-machine两种通信形式。
从通信内容上，分为从高层到底层的掌握命令信息和由底层向高层反馈的或者机器之间通报的状态类信息。
目前，即时通信模型有C/S、B/S（browser/server）和P2P．C/S模式适用于须要对系统资源进行合理分配调度的集中式组织构造，P2P模式适宜于灵巧性和动态性较高的分布式组织构造，针对图2的组织构造形式，构建一个领悟C/S模式和P2P模式的稠浊网络通信模型。
远程客户和机器人掌握机作为客户端与做事器（智能中央）组成C/S通信模型，用户可以通过做事器对机器人履行远程集中掌握。
做事器作为信息处理中央，实现远程客户端和机器人掌握机的双向通信。
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C/S模式的人机远程掌握系统设计

远程客户端到做事器再到机器人掌握机通报的是掌握命令信息，对数据的准确性和安全性哀求较高，故采取基于TCP协议和Socket技能的C/S模式实现信息传输，然后在此根本上定义运用层协议，将传输的字节流“翻译”为通信双方“认识”的代价信息，即为机器人掌握命令，末了设计基于反射机制的阐明器，将掌握命令转化为可运行的机器人驱动程序，掌握机器人运动。

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因此“广播”的办法分享信息，系统有较高的实时性．机器人之间没有主从关系，彼此通报的是机器人状态类信息，信息量较大，因此利用供应大数据流做事的UDP（userdatagramprotocol）协议实现信息传输，确保传输速率快，信息的准确性在运用层协议解析时加以掌握．状态类信息通信是一种对数据质量哀求不太高但信息量较大的组内通信系统，选用Socket技能中的数据报套接字实现信息传输。
所有的机器人掌握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运用层协议实现信息“翻译”，转化为各自“认识”的代价信息，实现了机器人间的通信[5]。

2.1.3 步进电机掌握系统

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实行元件。
其输入量为脉冲序列，输出为相应的角度或直线增量。
在正常的事情状态下，输入与输出具有严格的对应关系，不受电压颠簸和负载变革的影响。
由于其输入为数字量，适宜直策应用数字电路进行掌握。
步进电机的步距角由转子齿数及相数决定，由于构造限定，不能做到太小，因此限定其运用。
近年来，随着细分驱动技能的发展，步距角大为减小，且输着力矩不断增大，使得步进电机在速率及负载有较宽变革范围时，实现平滑稳定的运动，扩展了其运用范围。
常用的步进电机掌握方法有开环掌握和闭环掌握两种。
闭环掌握采取附加的编码器检测电机转轴位置形成闭环，并采取模糊逻辑等掌握策略，其系统本钱和实现繁芜度较高。
事实上，由于驱动技能的发展，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征象。
由于实在现大略，掌握精度能知足大多数需求，开环掌握是步进电机的紧张掌握办法[6]。

2.2 故障诊断系统

从第二次工业革命开始，人类进入了“电气时期”，发展到现在，人类生产生活中大部分的包袱大条件恶劣的事情已经基本都交给了电子机器等设备来完成。
电子机器设备凭借其对繁芜环境的耐受能力，能够完成很多人类完成不了的事情。
在当今工业化的时期，工业机器人的高效安全工为难刁难生产和生活都有着非常主要的意义。
因此，准确采集工业机器人的运动数据，提高工业机器人的事情质量，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哀求[7]。

2.2.1 模型诊断方法

基于模型诊断方法，其紧张是在已经存在的清晰模型诊断系统当中国，借助干系模型，得到相应数值以及实际采集的数值比拟，得到一定的残差，借助这些残差以及特定指标的比较，得出相应诊断结果。
以模型为根本的诊断办法，如状态估计和参数估计、等价空间等。
个中状态估计法，紧张是建立起一个别系状态的不雅观测仪器，然后对系统实际输出值以及经由状态不雅观测器得到的估计值进行比拟，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，其紧张是将系统参数变革作为依据，对参数变革进行统计。
而等价空间法，个中心内容是借助实际系统输入输出旗子暗记，同时对系统模型等价性作出考验，针对检测系统进行比拟，并且对故障进行诊断。

2.2.2 基于旗子暗记处理诊断方法

针对传统傅里叶变革频谱进行剖析和诊断，其紧张是被建立在旗子暗记为周期的旗子暗记，或者存在平稳性的根本之上的，系统必须为线性系统。
而对付一些相对繁芜的大型旋转机器而言，他们的震撼旗子暗记多数情形下是非平稳性的旗子暗记，如傅里叶变换的诊断办法，他仅能够对频域信息进行剖析，而时域信息已经损失。
进行时频剖析，其紧张目的是构建起一种，可以在相应韶光以及频域之上，进行共同展示的旗子暗记能量分布，这种情形下能够找出故障特色旗子暗记。
而针对范例的时频域办法而言，个中存在小波变换和Hilbert变换。

去除时频域剖析办法外，还有盲分离技能，该技能同样属于旗子暗记处理和故障诊断领域当中的一项热点问题。
盲分离紧张是结合符合旗子暗记规复独立的原始旗子暗记，可以对系统故障机理作出详细剖析和诊断[2]。
履历模式剖析法，紧张是对旗子暗记进行分解，使其形成有限拥有局部特色的信息本征函数，同时还可以试试希尔伯特变革，得到包络普，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稠浊方面的问题。
与此同时，时谱剖析办法，同样可以对旗子暗记处理故障进行有效剖析和解决。

2.2.3 基于知识诊断办法

基于知识诊断方法，由于该办法无需故障系统具有相瞄准确的数学模型，其逐渐得到广泛重视。
当下，运用其进行故障诊断，紧张有专家系统、支持向量机和故障树诊断办法等。
个中专家系统能够实时网络数据，并将这些数据运用在知识库当中，结合已有规则对其进行推理，并且结合实际情形，针对推理策略进行不断地修正，终极找到系统故障详细类型。
但是，存在只是数据库不足完善问题，因此对专家系统的确诊能力带来影响[3]。
而支持向量机办法，一样平常在少数样本的背景下，针对哪些经由非线性变换的数据进行映射，期间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事理建立的自动掌握系统。
在机器运行时，会涌现对统计信息的反馈受到信息随机性的滋扰，导致反馈的准确性不好。
为确保反馈的信息准确性，我们该当采纳多种办法进行处理。
根据系统的反馈事理，反馈掌握系统可分为：负反馈掌握系统、正反馈掌握系统。

2.3.1 负反馈掌握系统

当一个别系的活动处于某种平衡或稳定状态时，如果因某种外界成分使该系统的受控部分活动增强，则该系统原来的平衡或稳定状态遭受毁坏。
在存在负反馈掌握机制的情形下，如果受控部分的活动增强，可通过相应的感想熏染装置将这个信息反馈给掌握部分；掌握部分经剖析后，发出指令使受控部分的活动减弱，向原来的平衡状态的方向转变，乃至完备规复到原来的平衡状态。
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，结果也是向原来平衡状态的方向规复。
以是，负反馈掌握系统的浸染是使系统的活动保持稳定。

2.3.2 正反馈掌握系统

在正反馈的情形下，受控部分的活动如果增强，通过感想熏染装置将此信息反馈至掌握部分，掌握部分再发出指令，使受控部分的活动更加加强，如此循环往来来往，使全体系统处于再生状态。
可见，正反馈掌握的特性不是坚持系统的稳态或平衡，而是毁坏原来的平衡状态[9]。

3 蛇形机器人的发展

智能机器人之以是叫智能机器人，这是由于它有相称发达的“大脑”。
智能机器人能够理解人类措辞，用人类措辞同操作者对话，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——实际情形的详尽模式。
它能剖析涌现的情形，能调度自己的动作以达到操作者所提出的全部哀求，能拟定所希望的动作，并在信息不充分的情形下和环境迅速变革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构造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、疾病检讨治疗、抢险救灾等非构造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。
而步辇儿机器人的出身，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办法引起了学者的兴趣，仿蛇形机器人就在这种背景下出身了[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浸染产生驱动力，蛇的范例运动办法为：(a)侧摆和起伏(1at—eralundulation)：借助体侧面打仗凸凹不平的地面所产生的力提高，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、须要的空间大、不适于在光滑表面运动、不适于体态弘大的蛇类运动；(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)：身体紧缩成S形，前部前伸，后部紧缩，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，完成提高运动，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、适于优柔地面、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 形机器人的构造及其特点

仿照蛇的构造特点和运动机理，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。
采取统一的车厢式构造和活动坐标式运动办法，依赖躯体和地面间的相互浸染实现驱动，它有多种运动形式，提高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。
如果有分外的传感器，实行器，电池时，它须要头和尾两模块。
模块之间连接可以用枢纽关头或大略的刚性连接。
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超过的稳定型。
蛇形机构枢纽关头形式的选择直接决定了其运动的功能。
目前实现的枢纽关头形式种类有：1)大略枢纽关头(1DOF)：这种枢纽关头可以使机构在水平或垂直平面内运动，随意马虎掌握，经济性好；2)球窝枢纽关头(2DOF)：适于大多数框架用刚性管的机器人，球窝枢纽关头掌握难，制造繁芜，但许可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波折，常日它、与线索铰盘驱动器联合利用；4)分外枢纽关头：为实现分外目的而利用的枢纽关头，常日它有三个自由度[13]。

3.2 智能蛇形机器人的发展

由于仿生生物机器具有苗条的身体，且具有独特的构造及特有的活动办法，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，故它特有的上风使它拥有广阔的发展前景。
过去环绕蛇形机器人的研究事情紧张是蛇形机构的运动事理以及它的多种运动模式的实现，线合机器人的运用背景和自身特点，目前蛇形机器入的研究正朝以下两个紧张方向发展[14]。

3.2.1 构上自重构

机构的可重构是指一个机器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构造的形状和大小，以适应不同事情的影求。
由于蛇形机器人具有模块化构造，因此常日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。
连接中央和各连接模块采取电磁连接办法，实现了蛇爬行、四肢超过、圆形滚动等各种运动办法；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，连接中央、活动块、被动块。
采取机器式连接，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，由于它具有模块化构造，自身便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Hi—ro$e研制的主动索状机构(ACM)蛇形机器人，还是Chirikjian和Burdickr研制的基于变几何构造桁架构造(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须要从机构和掌握两方面考虑[15]。

3.2.2 能量自给，运动自主

自给是从硬件方面来说，有线掌握大大减小了蛇形机器人的移动范围，以是哀求组成掌握的硬件(电源、传感器、驱动器、CUP)集于一个板上，采取无线通讯，无线能量传送。
由于一个模块便是一个智能主体，它必需有自己的CPU、能量来源。
并能对自身的传感器和实行器的掌握[11]。

3.3 智能蛇形机器人的未来前景

随着机器人运用领域的不断扩大，仿活气器人的研究成为主要的科研方向。
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、疾病检讨治疗、抢险救灾等非构造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形作业，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巧性强、实用性强等上风，对付模块化智能蛇形机器人的设计研究大多用于接济现场，或者人无法进入的场所，如有辐射、有粉尘、有毒和战役环境下，可以通过机器人来帮忙完成事情任务。
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构造，根据冲压件、注塑件零件设计事理，对机器人各零件进行简化设计，减小了传动部分的偏差，增强了机器人的运动折衷性、装置制造便利性，降落了机器人本钱。
模块化智能蛇形机器人掌握系统的难点之一便是其弘大的掌握系统，模块化分布式掌握办法是其发展的一定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掌握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主要的计策地位。

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