的研究发展已经有很多年的历史了，在代替人工进行高危险等特殊工作作业的同时，还能很好的提升工作效率和工作质量。在当今的日常生活中，我们总能看到各种不同的爬壁机器人在不同的地点进行着不同的工作，除此之外，他们的形态、体积也各不相同，而且还经常可以看到新闻说又研发出了哪种仿生爬壁机器人，一般人很容易搞不清、也很容易弄混哪个是哪个，下面圣瑞小编总结了几种常见的爬壁机器人的分类，希望对大家有所帮助。

　　一、驱动方式不同的爬壁机器人
　　根据常见的驱动方式，可以将爬壁机器人分为轮式和履带式两种。
　　1、轮式爬壁机器人：轮式爬壁机器人主要以两个或多个轮胎进行移动，根据轮胎数量可以分为两轮、三轮、四轮。其中两轮爬壁机器人移动时不够稳定，所以不常使用；三轮爬壁机器人行进稳定，同时转向灵活；四轮爬壁机器人在保证转向的情况下比三轮结构承载力更强。
　　2、履带式爬壁机器人：履带式爬壁机器人通过两侧履带进行爬壁移动，其整体驱动原理与坦克类似，可以实现更大的载重和更好的壁面摩擦力，对于凹凸不平的壁面也可以保持稳定，美中不足的就是因为较大的壁面摩擦力导致其移动不够灵活，速度较慢。
　　除以上两种驱动方式外，还有腿足式等形态各异的仿生类驱动的爬壁机器人，他们有些是因为技术不够成熟，或者由于维修成本等过于高昂，不常用于特种作业，所以这里暂不赘述。

　　二、吸附方式不同的爬壁机器人
　　爬壁机器人之所以可以爬壁，核心原理就在于吸附方式上，至今为止常见的吸附方式有真空吸附和磁力吸附。
　　1、真空吸附：真空吸附爬壁机器人分为单吸盘和多吸盘两种，可以在任何材料的壁面进行吸附，但是对于壁面的平整度有很高要求，壁面一旦出现裂缝或者凹凸不平，很同意使吸盘漏气，出现坠落事故。
　　2、磁力吸附：磁力吸附爬壁机器人的吸附方式还可以分为电磁吸附和永磁吸附，电磁吸附基于电磁原理，通过线圈通电产生磁力，从而吸附在磁性金属表面，磁性便于控制，但是安全性较差，如果出现断电故障，吸附能力就会失效；永磁吸附的爬壁机器人是基于永磁铁磁力进行吸附的，吸附能力强且稳定，可以根据磁铁与壁面距离来调节吸附力大小，缺点就是工作结束的时候需要通过隔离手段才能将机器人取下。
　　除去真空吸附和磁力吸附的爬壁机器人，还有一种仿生吸附的机器人，他们通过大量的腿足关节和吸盘进行爬壁和移动工作，但是这种爬壁机器人往往造价高昂，而且不便维修，所以也很少用于替代人工。

　　三、用途不同的爬壁机器人
　　1、除锈爬壁机器人：除锈爬壁机器人可以通过搭载的除锈设备，代替人工对吸附的壁面进行除锈工作，圣瑞研发的爬壁机器人通过永磁吸附的方式可以很好的吸附在金属表面，模块化设计使其可搭载的除锈设备多样，可根据不同要求搭载喷砂除锈机、高压水枪和喷丸除锈机等，再通过灵活稳定的三轮结构进行合理的移动除锈，除锈的效率高，并且在除锈的过程中还可以对铁锈进行回收，避免污染环境，是现在船舶和油罐除锈的常用设备。
　　2、喷漆爬壁机器人：对于大型的船舶和油罐来说，喷漆补漆也是一件麻烦事，圣瑞爬喷漆爬壁机器人可以设计搭配多个喷枪，通过无气喷涂工艺有效的提高了喷涂效率，模块化的设计还可以满足不同喷涂工艺和多种工况下的作业要求。
　　3、检测爬壁机器人：爬壁检测机器人和喷漆除锈机器人的原理是类似的，不同的区别就是爬壁检测机器人搭载的是无损检测设备；常用的无损检测设备为远程视觉检测和超声波检测，通过两种无损检测技术将壁面肉眼无法准确观察到的裂缝、变形和肉眼根本无法看到的壁面内裂痕、焊缝气泡等问题显示到远程控制系统上，数据较人工更加准确。

　　通过以上内容可以看出，爬壁机器人的分类多种多样，但是洛阳圣瑞智能机器人有限公司经过多年对不同爬壁机器人的研究和改良，将它们的优点集于一体，研发出的磁吸附爬壁机器人，通过模块化的设计可以满足除锈、喷漆、检测、清洗等不同的作业环境，想要变更用途只需更换搭载的模块和相应控制系统即可，如果有想要购买的小伙伴可以在我们的网站留言，或者拨打客服电话进行咨询。

　　今年是2020年，距离牛顿被第一个苹果砸到过去了352年，与爱因斯坦创立狭义相对论相隔了103年，距离“人工智能”这一术语的诞生也隔了62年。

　　得益于科学家对人类身体的研究，近来，机器文明又取得了一项进步。利用对人类脊髓的研究成果，伊利诺伊大学香槟分校研究人员使用3D打印技术制造出柔软骨架，并以此为基础开发了由肌肉和脊髓组织提供动力的小型步行“spinobots”。

　　该校细胞与发育生物学教授、研究带头人Martha Gillette说，虽然过去已经有生物机器人可以通过简单的肌肉收缩来前进，但脊髓的增加让它们有了更自然的行走节奏。

bioactuator(一种工程化多细胞脊髓肌肉生物激励器中功能性神经肌肉连接的发现)为题，发表在了《APL生物工程》杂志上。

　　他们假设，一个完整的大鼠腰脊髓段可以与工程化的3D肌肉组织形成功能性神经肌肉连接，模拟周围神经系统的部分发育。且最终的试验数据表明，大鼠脊髓能够在离体之后与工程肌肉组织形成功能性神经肌肉连接。下一步，研究人员计划进一步完善自旋机器人的动作，使它们的步态更自然。研究人员希望这种小范围的脊髓整合是建立外周神经系统体外模型的第一步，目前这在活体病人或动物模型中是很难研究的。

　　这不是第一次人类取得突破性的机器人进展，确实最近的一次人类在软体机器人的突破。

　　1962年，美国Unimation公司的第一台机器人Unimate在通用汽车(GM)公司投入使用，成为第一代机器人诞生的标志。此后的半个世纪里，伴随着计算机技术、智能控制技术、通信技术以及先进制造技术等技术的发展，机器人技术得到了飞速的发展。

　　而软体机器人则是科学家为了使得机器人更像人的重点努力方向。随着机器人场景的多元化，逐渐提出"人机友好"的设计要求，传统电机减速器等刚性驱动技术虽可提供较大输出力，容易设计具有高带宽、高性能的力驱动器，但其顺应性差，在"人机交互"时安全性不高。但进行脊髓等机器人执行器设计主要考虑的是驱动问题，柔性驱动方式凭借其适应性强、重量轻、良好的人机交融等优势，在医疗康复和服务领域有着广泛的应用。且随着生物力学的发展，人体骨骼-肌肉结构的优越性愈发引起重视，柔性驱动技术在医疗康复和服务领域有着愈发广泛的应用。

　　对于软体机器人来说，由于具备高安全性以及能与人类、恶劣环境进行自适应性交互，软体机器人拥有了传统刚性传机器人难以具备的功能。比如，软体机器人在执行抓取作业时因其自身的柔软性而能改变自身形态，对一些易碎品和不规则物体进行抓取时，采取包裹形式抓取，不会损坏物体。

　　而运动，往往需要肌肉发力，气动人工肌肉，是人造肌肉（artificial muscle）的一种，是科学家认为机器人动力的来源。人造肌肉即电活性聚合物，是一种新型智能高分子材料，是根据生物学原理由缬氨酸、脯氨酸和甘氨酸这 3 种氨基酸按一定顺序排列构成，可在外加电场下通过内部结构的改变而伸缩、弯曲、束紧或膨胀，非常接近生物的肌肉纤维。

　　气动人工肌肉，从字面意思上理解就是，由外部的压缩空气驱动进行推拉动作的人造肌肉，具有柔顺性、轻量性、绿色性等优势。这一材料重量轻（最小仅为 10g），却能提供很大的力量，用“四两拨千斤”来形容它再合适不过了。

　　气动人工肌肉往往用限制变形的支撑材料作为骨架，骨架内部是可膨胀的气囊（或类气囊）结构，通过气囊的膨胀和收缩来执行各种柔顺的动作，这种结构继承了气动元件的基本优点，同时还具备了结构简单、高柔性和良好的仿生特征等其他机械执行机构所无法比拟的特点，是应用最为广泛的柔性驱动方式之一。

　　目前，按照人工气动肌肉的结构大致可分为类编织结构、纤维类增强结构、弹性气室结构、增强弹性结构，当然近来也有一些新的肌肉结构。

　　类编织结构型气动肌肉

　　20世纪50年代,美国原子物理学家Joseph L. McKibben设计出最早的气动人工肌肉驱动器，被称为McKibben型PMA(Pneumatic Muscle Actuator)，如图所示。一般而言，气动人工肌肉由外部提供的压缩空气驱动，作推拉动作，其过程就像人体的肌肉运动。它可以提供很大的力量，而重量却比较小，最小的气动人工肌肉重量只有10g。

　　而这个设计当时其结构为:内层为橡胶管，橡胶管外面用纤维编织网套住,两端用金属挟箍密封。当向橡胶管内腔充入压缩气体时，随着内腔气体压力上升,橡胶管沿径向膨胀,膨胀的橡胶管撑起外层纤维编织网,使得径向膨胀力变为轴向收缩力,其运动形式酷似生物肌肉，这种类编制结构是人工气动肌肉应用最多的形式。

　　此前，东京工业大学Giacometti机械臂便应用了这种技术，主要由薄膜气球、McKibben型气动肌肉、充气导管以及提供气源的基座组成。Giacometti 充气臂利用人造肌肉产生的扭矩提供关节处的弯曲力，常规肌腱驱动的机械臂需要充气臂杆在非关节处提供高强度的抗弯力，以抵抗肌腱力避免发生形变，或者设计臂杆侧壁结构抵抗肌腱反作用力。

　　纤维类增强结构型气动肌肉

　　在此基础上，为了节省成本，又一种新的气动结构被发现了，这是由哈佛大学 Biodesign Lab实验室开发了一种新结构的气动肌肉。该气动肌肉一侧为固定材料，拉伸性能较差，但有良好的弯曲性能；另一侧为可拉伸纤维，直接影响肌肉的弯曲性能。当可拉伸纤维伸长时，另一侧固定材料不发生轴向变化，限制肌肉在该侧的长度，但纤维面轴向伸长，导致肌肉回向固定材料侧发生弯曲运动，反之肌肉则会向纤维侧发生弯曲运动。

图：纤维类增强结构（来源[4]）

　　弹性气室结构型气动肌肉

　　而为了提供更强大的动力，哈佛大学Wyss Institute研究团队利用气压变化研制了一种新式气动肌肉[5]。这种形式的气动肌肉主要组成部分为可抽气的密封气室。当密封气室内气压与外界大气压相同，相互之间不产生力时，肌肉处于放松状态；当抽出气室中的空气，外界大气压会对气室产生作用力，使肌肉处于弯曲状态。这种形式的气动肌肉弯曲能力直接与大气压力有关，导致其负载性能较弱，输出力有限。

图：弹性气室结构约束（来源[5]）

　　增强弹性结构型气动肌肉

　　美国哈佛大学利用爆燃原理研制了一款增强弹性结构气动肌肉，如图5所示。该种肌肉主要部分为增强弹性材料制成的气室。与弹性气室结构不同的是，在增强材料结构气室中进行甲烷的燃烧，利用甲烷爆燃产生冲击力实现肌肉的跳跃运动。该种结构无需充气设备，能够提供较大作用力，但由于是爆燃产生的冲击力，该种肌肉难以实现精确控制。

图：增强弹性结构约束（来源哈佛大学Bi）

　　2000 年 FESTO 公司推出了仿生气动肌腱系列化产品，并提供了相应的应用解决方案，标志着气动人工肌肉进入了一个崭新的时代，它已正式成为了一种标准的气动执行元件。气动人工肌肉良好的仿生特征决定了其在机器人领域广阔的应用前景，其发展与机器人技术息息相关，两者结合可使机器人完成更多的类人操作。

　　2019 年 7 月，MIT 科研团队还在 Science 发表论文，介绍了他们利用 2 种热膨胀系数不同的聚合物材料高密度聚乙烯和环烯烃共聚物弹性体制成的新型人造肌肉，这种人造肌肉一经加热，便可自由伸缩，提起比其自身重 650 倍的物体。这一研究也登上了当期 Science 封面。

　　这种纤维可以用作机器人，义肢，其他机械和生物医学应用的人造肌肉，也可用于微小的生物医学设备，例如通过进入动脉然后被激活的医疗机器人。极轻的重量再加上对刺激很好的反馈里都让它从众多材料中脱颖而出，同时这种纤维还可以被捆绑在一起使用，就像肌肉细胞在人体内的情况一样，如此一来载荷效果更佳。

Trunk（受象鼻启发的新型弯曲螺旋可伸展/收缩气动人工肌肉）。上述研究团队受到象鼻的启发，基于气动人工肌肉（Pneumatic artificial muscles，PAMs），也研制出了一种新型柔性软体机器人。

　　实际上，人造肌肉材料已成为当今研究的前沿和热门，这与人们对柔性机器人领域越来越多的关注密不可分。柔性机器人可具备的特性包括材料的柔软性、优良的环境适应性、超强的安全性，以及良好的人机互动性。正如香港科技大学机器人研究院院长、机械及航空航天工程学系教授王煜在 2018 年世界机器人大会上所说：

　　不过，想要完美地同时兼具上述几种特性，还有很多技术上的难题，目前研究人员们也正在寻求一个突破口，比如中国科学院理化技术研究所研究员、清华大学教授刘静团队考虑了室温液态金属在柔性机器人领域的应用；MIT 研究人员曾用 3D 打印、液压驱动的方式驱动机器人运动。

　　虽然现阶段柔性机器人领域仍比较“概念化”，但其应用前景广泛，未来必将会带来新的变革。

摘 要： 对蛇的身体结构和运动形态进行了分析，掌握了蛇的运动模型，分析了蛇在蜿蜒运动过程中的受力情况。通过对蛇行运动的研究，结合结构设计、控制系统设计等，设计一条13关节的仿生机器蛇，实现蜿蜒前进、转弯、蜷缩、抬头等动作。并对仿生蛇的设计提出一些看法，结合实际，对其未来发展提出建议。
关键词： 蛇形机器人；结构设计；蜿蜒运动

随着仿生学的发展，人们把目光对准了生物界，探索新的运动模式有了新的进展。蛇是无四肢动物中最庞大的一类，在几千年的进化历史中，它能进行多种运动以适应不同的生活环境（如沙漠、水池、陆地、树林等）。仿蛇形机器人就在这种背景下诞生了。蛇形机器人可适应各种复杂地形的行走，如在战场扫雷、侦测、爆破、矿井和废墟中探测营救、管道维修以及外行星地表探测等[1]，其性能优于传统的行走机构，在许多领域具有非常广泛的应用前景。本文通过对蛇的运动方式进行分析并就仿生蛇的关节结构进行设计，提出系统控制方案。
在自然界的不同环境中，生存着不同种类的蛇，它们的运动方式也有所不同，大致可分为以下几种：(1)蜿蜒运动：蛇体摆动近似于正弦波的规律，依靠腹部蛇鳞与地面的摩擦作用产生推动力。蜿蜒运动时，蛇体作横向的波动，形成若干个波峰和波谷，在弯曲处的后边施力于地面，沿从头部到尾部方向传播，由地面的反作用实现运动。(2)伸缩运动：在蛇通过长直的狭窄通道时常采用这种运动方式。该运动可分为两个节拍，先以前部作支撑，收缩肌肉向前拉后部，再以后部作支撑，通过肌肉收缩向前推动前部。这种运动的效率比较低。(3)侧向移动：这种运动常见于生存在沙漠中的蛇类。运动中蛇腹始终都只有很小的部分与地面接触，而相邻接触部分之间的躯体是抬起的，分顺序接触地面，然后抬起，依次循环，产生一个侧向的运动。这种运动的效率比较高，能获得较大的加速度，适合在柔软的沙地运动。
在以上运动方式中，最常见的是运动效率最高的蜿蜒运动，然后是伸缩运动，侧向运动比较少见。通过对蛇的运动分析可见，无论哪一种运动方式，都可以看成是一系列的波形传递，如图1所示。YZ平面沿Y方向上下运动，实现伸缩运动；XY平面沿Y方向左右运动，实现蜿蜒运动；如果YZ平面和XY平面沿Y方向进行空间复合运动，就产生所谓的侧向移动[2]。

考虑仿生蛇设计的便利性，选择蜿蜒的运动方式，并假设以正弦波传递。可以知道在波形传递过程中各个关节相对旋转角度的变化，从而控制波形稳定地向前推进。蛇形机器人是一个多连杆系统，通过各相邻连杆的协调动作向前推进。Serpenoid[3]曲线己经被广泛应用到蛇形机器人上，以Serpenoid曲线为例对蛇形机器人的运动步态进行规划。Serpenoid是指一个穿过X-Y坐标系原点的曲线，如果满足以下条件，就可以被称为蜿蜒曲线：
其中a、b、c三个参数将决定曲线的形状，通过改变Serpenoid曲线的这三个参数，既可以改变蜿蜒曲线的传播波型、传播幅度，也可以改变曲线的传播方向。由Serpenoid曲线的定义可得到N关节组成的近似Serpenoid曲线蛇型机器人蜿蜒运动的角度。
2 仿生蛇形机器人结构设计
设计了仿生蛇形机器人三个部分的关节模型，分别是头部关节、驱动关节和尾部关节，并用计算机辅助设计软件UG NX7.0绘制出了各个关节的模型。蛇形机器人的加工材料有硬铝、PVC塑料、ABS塑料、树脂等，考虑到机械加工性能、塑性、韧性、强硬度等，最终选定了光敏树脂。加工方法选择快速成型加工，其核心思想是离散堆积成型。运用激光快速成型技术，加上最适合该技术的光敏树脂材料，加工理想的关节实物[4]。
2.1 仿生蛇形机器人驱动关节设计
仿生蛇由13个关节串联而成，每个关节都具有一个独立的自由度，前3个关节(舵机11、12、8)负责蛇形机器人抬头和摇头动作，从第4个关节开始为驱动关节，通过关节(舵机)0、1、3、4、6、7、9、10相互配合完成蜿蜒运动，模拟蛇形曲线推动整个蛇形机器人身体的前进。关节(舵机)2、5完成转弯，蜷缩动作。图2所示即是运用UG NX7.0软件绘制的仿生蛇形机器人驱动关节建模。

2.2 仿生蛇形机器人尾部设计
仿生蛇形机器人尾部设计不仅要考虑外型，还要把它设计为整个系统的动力来源，因所需控制舵机较多，电源采用锂聚合物电池。电池较重，为满足运动要求，需安放在蛇的尾部。图3所示即为运用UG NX软件绘制的仿生蛇形机器人尾部关节建模。

2.3 仿生蛇形机器人头部设计
仿生蛇形机器人头部设计是模仿人脑的功能，它集超声波测距模块(仿生蛇眼)、声控电路模块(仿生蛇耳)、MCU控制模块(仿生蛇大脑)、32路舵机控制模块(仿生蛇小脑)等重要控制单元为一体，如图4所示。其中MCU控制模块为上位机，负责各信息的处理；舵机控制模块为下位机，负责各舵机角度的控制，完成基本动作要求。因各模块结构复杂且尺寸不一，因此无法通过快速成型加工得到较合适的蛇头模型，只能采取手工加工完成头部的设计，再用电路板直接拼装而成。其中，采用U形金属支架连接舵机和头部，使蛇形机器人可以做到抬头和低头的动作。仿生蛇形机器人关节连接如图5所示。

3 仿生蛇形机器人控制系统设计
蛇形机器人基本的设计思想是通过改变各个关节之间相对运动角度来使蛇体达到相应的运动姿态，从而实现蛇体的运动。通过对蛇类蜿蜒运动的研究，计算出蛇在不同运动形态的各个关节之间的相对转角的公式，通过控制每个关节的转角，实现蛇的连续蜿蜒运动。整个控制系统设计框图如图6所示。即将主控单元通过扩展板进行扩展，将32路舵机控制板、超声波传感器模块和声控模块连接为一整体，通过扩展板将各个模块与主控单元协调控制，实现对机器人的控制。

主控单元采用Arduino的AVRmega168-20PU微控制器与32 路伺服舵机控制器串口连接，通过主控单元上位机给伺服舵机控制器传递控制指令，即可实现多路伺服舵机的单独控制或同时控制，控制指令精简，控制转角精度高，以至能够完成蜿蜒前进、转弯、蜷缩等动作。
蜿蜒前进根据Serpenoid曲线公式，设置蜿蜒舵机角度，各舵机角度如表1所示。舵机转角范围一般为180°，居中时角度为90°，控制舵机的PWM范围一般为500～2 500，居中90°时的脉宽数为1 500[５]。
蜿蜒运动程序编写如下：

还没注册？ 现在免费注册，您即可： ?阅读所有技术文章及下载网站资料; ?定期获得业界最新资讯及设计实例; ?拥有个人空间参与网站及客户活动; ?撰写博客与业界朋友交流分享经验; 已经注册? 登录阅览全部精彩内容 用户名： 密码：