蛇形机器人

我国首台蛇形机器人悠然出“洞”
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2001年12月5日14:53　东方网  
　　农谚说：“三月三，蛇出山；九月九，蛇进土”。然而，就在初冬时节，我国第一条机器蛇（又称蛇形机器人）却在国防科技大学5名硕士研究生的“孵化”下，悠然出“洞”了。
　　那么，5名平均年龄只有23岁的硕士研究生，是如何造出中国第一条机器蛇的呢？　　灵感来自一次电视节目　　今年4月的一天，中央电视台《动物世界》正在播放一个介绍蛇的电视节目。平时很难有时间看电视的国防科大99级硕士研究生张代兵，此时却被节目内容深深吸引住了。蛇的特殊生理结构和独树一帜的运动方式，使他产生了浓厚兴趣，联想到国外有关仿生物机器人研制的信息，张代兵萌发一个大胆的想法：研制中国的机器蛇。　　科技创新的灵感来自一次电视节目，但张代兵的想法并非空穴来风。国防科大一直十分注重研究生创新意识和创新能力的培养，每年都举办“保利———创新杯”学员课外科技竞赛活动，以调动学员的科技创新积极性。张代兵读本科时学的是自动控制专业，读研究生学导航制导与控制。研制机器蛇有一定的专业基础，而且研究生队的同学各方面高手都有，可以联合起来集智攻关。更重要的是，张代兵所在的机电工程与自动化学院是我国开展机器人研究最早的单位，曾先后研制成功我国第一台两足步行机器人和第一台类人型机器人，既有较好的研制条件，又有专家教授指点帮助，这些都使张代兵充满了信心。　　不出张代兵所料，他的想法很快得到了各级领导和导师的支持鼓励。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名研究生马上加入到这次科技创新的行列中来。　　5名硕士生组成课题组　　今年4月底，国防科大建校以来第一个全部由在读研究生组成的课题组成立了。　　起步是艰难的。没有科研启动经费，可供借鉴的资料极少，而且只能利用课余时间进行科研攻关。但这一切都不能阻挡他们投身科研实践、大胆进行科技创新的热情和决心。　　研制机器蛇，首先必须了解蛇的生理结构和运动原理。因此，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，一面苦读一面又不时地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、几种主要运动方式和机理摸了个一清二楚。如蛇的横向波动，就如同波的传播一样前进，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，其它部分向前运动。此外还有侧向和直线运动等运动方式，他们都进行了一定的研究。　　蛇是一种柔性体系，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，他们就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；田菁是小组里唯一的巾帼，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。　　初生牛犊不怕虎　　机器蛇是一种能够模仿生物蛇运动的新型仿生机器人，由于它能像生物蛇一样实现“无肢运动”，被国际机器人业界称为“最富于现实感的机器人”。自1972年日本东京科技大学研制出世界上第一台蛇形机器人至今，世界上只有日本、美国、德国等少数几个国家研制和开发了这种新型机器人。　　如今，国防科大的5名研究生也要向这个目标挺进了。各种各样的难题接踵而至。课题研究刚起步，他们首先遇到电机的选型和配置难题。过去上有关实验课时，电机都是老师事先准备好的，大家对电机的各种型号参数缺乏了解，对电机市场更是知之不多。为了选配电机，张代兵和潘献飞、谭红力课余时间骑着破自行车几乎跑遍了长沙大街小巷，但几次买回的电机都不理想。电机是机器蛇的心脏，电机解决不好，其它无从谈起。于是，他们向研制类人型机器人的马宏绪博士请教。马博士对他们研制“蛇形机器人”大加赞赏，立即放下手头工作帮助他们分析比较各种电机的优劣，最后推荐使用伺服电机。可是到哪里去买价廉物美的电机呢？谭红力就在网上发布求购信息，终于在一个电子市场买到了合适的电机。　　接下来，他们就忙着搞设计、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，终于可以将机器蛇组装进行调试了。这天晚饭后，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“孵化”的“蛇”只会原地抖动，不会蜿蜒前进。大家有些失望，但不气馁。为了搬开这个“拦路虎”，他们一有空就趴在一起开“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，反复讨论、修改，不断进行受力分析实验……常常忘了吃饭、睡觉。经过了好几个不眠之夜，终于解决了这个问题。之后的一个多月时间里，他们又克服了一系列困难，将8节蛇身加长到了16节，增加了无线监视系统和无线控制系统，使机器蛇摆脱了电缆的束缚，游出实验室，走进大自然。　　天道酬勤。他们以初生牛犊不怕虎的精神，先后攻克了机械结构设计、控制电路、运动规划、遥测遥控等一系列技术难题，仅仅半年时间，这5名研究生就将我国第一条机器蛇展示在人们的面前。　　梦想成真　　11月26日，机器人实验室人头攒动，热闹非凡。由国防科大张代兵等5名研究生研制的我国第一台蛇形机器人进行公开演示。记者在现场看到，这条长1.2米，直径0.06米，重1.8公斤的机器蛇，正扭动着身躯，在地上自主地蜿蜒爬行，只见它一会儿前进、后退，一会儿拐弯和加速，其最大运动速度可达每分钟20米。而安装机器蛇头部的视频监视器，将机器蛇运动前方景象实时传输到后方电脑中，科研人员则可根据实时传输的图像观察运动前方情景，不断向机器蛇发出各种遥控指令。更为引人入胜的是，这条蛇形机器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，煞是好看。不时赢得观众的阵阵掌声。　　有关专家认为，这条机器蛇的问世，标志着我国机器人技术又有了新突破，是我国机器人研究领域取得的一个科技创新成果。它具有结构合理、控制灵活、性能可靠、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寻伤员；在狭小和危险条件下探测和疏通管道；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。　　他们成功了，但对于平均年龄只有23岁的5个年轻人来说，今后的科技创新之路还很长。　　王握文
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