机器蛇是什么意思,机器蛇的意思

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机器蛇是什么意思,机器蛇的意思

拼音：jī qì shé

词条内容：机器蛇（Machine snake；Snake-machine），又名蛇形机器人，是一种具有蛇类外观体态、能蜿蜒运动的仿生机器人。机器蛇在军事、航天和民用领域具有巨大应用前景，它足够柔韧，能够抵达其他机械装置无法抵达的区域。
简介；机器蛇机器蛇是一种新型的仿生物机器人，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。它具有结构合理、控制灵活、性能可靠、可扩展性强等优点。在许多领域具有广泛的应用前景，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找寻伤员；在狭小和危险条件下探测和疏通管道；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。
研制历史；第一代机器蛇从仿生学的角度，第一代蛇形机器人结合机器人动力学和摩擦学等的相关理论，建立的蛇的行波运动学模型，并研制的机器蛇样机—— SolidSnake，并利用SolidSnake实现了蛇的蠕动、游动、侧移、侧滚、抬头、翻越障碍物等运动形式。
SolidSnake利用垂直和水平方向正交的关节来拟和蛇类生物柔软的身体，每两个正交的关节组成一个单元体，每个单元体相当于一个万向节，具有两个方向的自由度，整体形成一个高冗余度的结构体。这样的机构设计使蛇体具有向任何方向弯曲的能力。
第二代机器蛇
机器蛇
SolidSnake II蛇形机器人充分考虑了蛇类生物的运动特点，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。
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。并且，SolidSnakeII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。
日本；1972年，日本东京工业大学的Hirose教授研制了日本第一台蛇形机器人（ActiveCordMechanism-ACMIII）。该机器人的总长为2m，具有20个关节，依靠伺服机构来驱动关节左右摆动。为与地面有效地接触，该机器人的腹部安装了脚轮。该机器人的最大速度为40cm/s，只能在平面上运动。继第一台蛇形机器人之后，Hirose教授的研究室又先后研制了一系列的蛇形机器人。ACM-R3是最近的研究成果，ACM-R3机器人采用完全无线控制的方式，每个关节自带电源。而且ACM-R3为三维结构，能够在三维环境中运动和完成复杂的三动作。
日本的NEC公司的Takanashi研制了刚性关节连接的蛇形机器人，该机器人的机构采用了特殊的关节结构，具有6个管状的连杆，长1.4m，直径42mm，重4.6kg，能够实现三维空间运动，可以应用在危险情况下的勘查和营救工作。
NASA的JPL采用了NEC的蛇形机器人结构设计了一种Serpentine robot，该机器人约1m长，直径4cm，重量为3.18kg，具有12个自由度，主要是完成在存在障碍物的环境中的操作任务。
美国
正在爬树的机器蛇“山姆大叔”
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。这种很大的内部自由度使得机器蛇具有极大的灵活性以及可操作性。
这款机器蛇“山姆大叔”是使用模块化的分段模型制造的，模型包含制动器与传感器；同时头部模型配备了一个摄像机。这条蛇的运动是对真蛇的运动进行生物模拟，包括侧向缠绕、扭动以及旋转动作，还能够缠绕着树干，在树的表面垂直往上爬。模块化的特点使得机器蛇具有在实地中自组装的潜力，而且如果哪个节段被损坏还能够简化修复过程。这种模块化的特性还意味着机器蛇的长度能够很容易地根据需要进行调整。
以色列
机器蛇2010年，以色列研制出的一款“机器蛇”长约2米，其外观和动作与真蛇别无二致，因此能够方便用来进行军事伪装。它能通过穿越洞穴、隧道、裂缝和建筑物秘密地到达目的地，同时发送图片和声音给士兵，士兵通过一台由电脑控制的装置接收其发回的信息。其次，“机器蛇”还可以用于携带爆炸物到指定地点。这款“机器蛇”拥有完美的弯曲“关节”，这使得它易于通过狭小的空间。并且在遇到障碍物时，它可以拱起身子，跃过障碍物进行拍摄工作。除了军事目的，“机器蛇”还可以发挥其灵活性来帮助寻找被埋在倒塌建筑物下的受难者。
德国
德国的GMD研制了蛇形机器人。该机器人采用绳索驱动，具有较好的柔性。此外，在蛇形机器人上安装了红外线传感器来检测环境信息。
中国
机器蛇
在中国，蛇形机器人的研究刚刚起步，但是进步较快。哈尔滨工业大学机器人研究所，上海交通大学等单位首先进行了蛇形机器人仿生方面的一些研究工作。上海交通大学崔显世、颜国正于1999年3月研制了中国第一台微小型仿蛇机器人样机，该机构由一系列刚性连杆连接而成，步进电机控制相邻两刚性连杆之间的夹角，使连杆可以在水平面内摆动，样机底面装有滚动轴承作为被动轮，用以改变纵向和横向摩擦系数之比，其后又相继作了一些相关的理论研究。
2001年，国防科技技术大学研制了一个蛇形机器人样机，这条长1.2米、直径0.06米、重1.8公斤的机器蛇，能像蛇一样扭动身躯在地上或草丛中自主地运动，可前进、后退、拐弯和加速，其最快运动速度可达每分钟20米。头部是机器蛇的控制中心，安装有视频监视器，在其运动过程中可将前方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观察运动前方的情景，向机器蛇发出各种遥控指令。这条机器蛇披上“蛇皮”外衣后，还能像蛇一样在水中游泳。
中科院沈阳自动化所机器人重点实验室也开始了蛇形机器人的研究，并提出一种新型蛇形机器人结构，可实现多种适应环境的平面和空间运动形式，并作了深入的理论研究。沈阳航天航空大学等单位也开始蛇形机器人的相关研究工作。
挪威；挪威研制出探索火星机器蛇
2013年10月，挪威科技工业研究院（SINTEF Research Institute）设计出一种用于火星表面探测的蛇形机器人，由10个相同的模块构成，通过“关节”连接在一起。每一个模块拥有2个自由度。这些模块表面覆盖被动轮，赋予机器蛇地面摩擦力，允许它在平坦的地面上行进。
这款机器蛇可沿着火星车运动，通过一根电缆获得能源。蛇形机器人与火星车之间的连接也意味着，如果火星车被卡住，蛇形机器人能够帮助火星车脱困。在这种情况下，蛇形机器人能够降低至地面，也可以盘绕在岩石上。火星车通常能够依靠电缆绞车将蛇形机器人拉近。这种后援可能能够拯救2009年被卡住的美国NASA勇气号火星车。研究人员认为，这种蛇形机器人可以成为火星探测的极好工具，SINTEF从欧洲太空总署（ESA）获得了50万挪威克朗(约合85,000美元)的资金，用于研制这种蛇形机器人。
研究方向；蛇形可重构机器人系统的研究已经引起了很多研究者的留意，仍需进一步研究的内容主要在以下几个方面：
1、蛇形机器人系统中模块的功能、设计及实现方法：包括机器人的功能分析和功能的分配，模块的软、硬件功能分析，模块描述方法的研究，软、硬件模块的设计，软、硬件模块自动或快速连接方法的研究。
2、蛇形机器人的构形设计：包括机器人所需完成任务描述方法的研究，机器人构形表达方法的研究，机器人最优构形天生方法的研究。
3、蛇形机器人的运动学和动力学研究应主要考虑软件的可重构性：包括模块运动学和动力学的分析方法，分布式模块机器人运动学和动力学分析方法的研究
4、研究适用于可重构蛇形机器人系统的可重构实时控制软件：包括机器人控制模块的功能分析和划分方法的研究，软件重构方法的研究。
应用前景；蛇形机器人具有很多优点，能够应用到很多复杂和危险的环境中。虽然蛇形机器人的研究尚处在实验阶段，但蛇形机器人有广泛的应用前景。蛇形机器人可以应用到但不仅仅局限在以下各领域：
科学探险和状况检查
国防科技大学研制的机器蛇
代替或部分代替人去完成危险环境中的作业是研制机器人的主要目的之一。科学探险是科学家探索大自然奥秘和丰富地质资源的有利手段，但常常因为环境和气候恶劣，无法到达目的地完成指定的探险任务。非结构环境下的作业和运动对机器人的性能和运动形式提出了非常严格的要求。
防恐防爆和灾难救援
自美国纽约的911事件之后，防恐防爆成为各个国家维护国家安全和人民生命财产不受侵害的主题。机器人学的研究人员制作了形式各异的机器人来代替人去完成防恐防爆和救援伤员的任务。蛇形机器人也适合于完成灾难救援任务。特别是蛇形机器人身体的各个部分都与地面接触，对地面的压力均匀而且非常小，适合在灾难后的危险建筑中运动和搜救。这些灾难主要包括:地震、爆炸、地质陷落、龙卷风和火灾等等。
医疗
设计小型的移动机器人，进入人体器官（如肠道、血管）完成手术和定点给药是机器人研究的一个新的热门领域。如果将蛇形机器人做得非常小，就可以进入人体的肠道完成作业。
航空航天
探月工程的启动表明中国政府探索外星系的决心和信心。正像美国的勇气号和机遇号机器人在火星上执行作业一样，探月工程也需要机器人来完成各种作业。蛇形机器人有望在这方面得到应用。
危险环境作业
能够用身体移动和操作是蛇形机器人有别于其它移动机器人的一大特性。它可以穿越狭小空间、进入危险环境，然后完成操作任务。安装合适的传感器后，也可以应用蛇形机器人来完成排雷任务。
军事
蛇形机器人本身体形细小，加上合适的伪装后，便于隐身。此外，如果蛇形机器人的每个单元都安装上传感器，那么它可以用甩掉关节的办法来布置传感器，形成一个大型的信息系统。
作为操作手
将蛇形机器人的一端固定，那么它就变成一个具有冗余自由度的操作手，可以完成复杂的抓取动作。例如:狭小空间的操作，复杂环境下的避碰操作等等。

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