《用于地形侦察的蜘蛛机器人设计》课题的文献综述
1.研究的目的和意义
随着社会的发展和科学技术水平的提高，人们对能在各种特殊环境下工作的特种机器人的需求不断增强。当前对于移动式机器人多采用轮式或履带式移动平台，无法满足在复杂地形路面上的行走要求，因此，设计一种能够在各种复杂路面上平稳移动的机器人成为亟待解决问题。
在救援过程中，蜘蛛机器人能够代替人类完成相应的任务，以降低不必要的人身财产损失；在工作生活中，通过它传回的图像来了解所处环境的相应信息，从而避免一些不必要的麻烦，一方面为生活带来了便捷，另一方面也拓展了我们的视野。在航天探索中，它配合摄像装置实时传输信息来完成对未知领域的探索，为我们传输大量宝贵的图片信息；在军事侦察中，它凭借其小巧的身体、灵活的腿脚以及极强的隐蔽性可以很好地完成侦察、间谍的任务，蜘蛛机器人不受地形限制，可以在恶劣的环境下完成任务。智能蜘蛛机器人具有很高的研究价值和应用前景。[1]随着仿生学理论和计算机技术的飞速发展， 科学家们对仿蜘蛛机器人的研究不断深入， 但大部分仿蜘蛛机器人的研究尚停留在初级阶段， 不过目前取得的成果为仿蜘蛛机器人进一步研究奠定了基础。 仿蜘蛛机器人凭借其灵活性、柔性和易复制性以及在航天、军事、娱乐和服务等方面的重要性，显示出了它的广阔前景。 未来的发展中， 仿蜘蛛机器人的研究目标是将其在各种领域中投入实际的应用，发挥其优点，从而在人们的生产生活中发挥重要的作用。
2.仿蜘蛛机器人研究现状
国外研究现状：近年来，随着仿生学和科学技术的发展，对仿生多足机器人的研究成为科学家关注的焦点。国外对仿生多足机器人的研究相对较早，美国和日本都对多足机器人进行了相当深入的研究，分别模仿不同生物的形态特点，成功研制出性能卓越的仿生多足机器人。从最开始的机械式机器人到现在智能机器人，仿生机器人的智能水平和整体性能已经得到了飞速发展。仿生爬行机器人与传统的轮式驱动的机器人不同 , 采用类似生物的爬行机构进行运动[2]。早在1968年，美国的Mosher发明出一款四足车“Walking Truck”，该车有4条由液压伺服马达驱动的腿，车身上的位置传感器能够完成位置检测功能，虽然四足车整体操作比较费力，但实现了避障和爬行功能，是现代仿生步行机器人发展的一个重要转折点，为仿蜘蛛机器人技术的发展打下了良好的基础[3]。仿蜘蛛机器人是从仿生多足机器人演变过来的一个分支，仿生学与机器人相结合，是根据生物界蜘蛛的生理结构和行为举止，设计了一种能够运用6足稳定，实现行走、转弯、攻击、趴下等系列动作的仿生蜘蛛机器人[4]。 为减少登陆作战的危险，美国MIT研制了用于浅滩探雷的六足机器人Ariel，该机器人每条腿有2个旋转自由度，可实现翻转步行的功能。机身部分配备姿态传感器和罗盘，整机电路和控制器都密封在一个空腔内，使机器人具有自动检测以及防水等功能。美国卡内基-梅隆大学研制的有缆八足步行机器人DANTE，该机器人用于对南极埃利伯斯火山的考察，传回了大量珍贵的图像和数据[5]。美国宇航局（NASA）喷气推进实验室成功研制的仿蜘蛛机器人Spider-pot，该机器人通过一对探测障碍的天线，配合灵活的腿，可轻松实现一系列特定动作。它具有体型小、行动灵活等特点，能够避开障碍物，适应各种复杂地形，还能够探索人型和轮式机器人无法到达的未知区域。该仿蜘蛛机器人可用来勘探小天体，同时在国际空间站还充当维护员，及时发现空气泄漏等事故[6]。美国卡内基-梅隆纳米机器人实验室发明了一架微型“水上蜘蛛”机器人，不仅外形看起来像蜘蛛，而且还能像蜘蛛一样在水面上行走。这架机器人的身躯由边长半英尺（约0.0127 m）的盒状碳化纤维制成，具有8条涂有防水塑胶的钢丝腿。整架机器人没有传感器，没有电池，它的“肌肉”就是3片平板金属压电致动器。该机器人利用电线把压电致动器与外接电源相连，当电流通过时，金属边发生弯曲，形成驱动力使机器人能够行走。这只“水上蜘蛛”机器人质量仅约1g，造价低，适合大量生产。它是通过基于转向器的伺服控制模块来控制的。在机器人中使用力矩2.5kg-cm来显示不同的工作动作，包括前后运动和坐姿。另一种技术是利用HC-05模块对自主特征进行控制.应用软件实现了转角、位置和运动的控制。结果表明，该方法成功地实现了各种运动和自主特征[7]。此外，通过采用用于Blackfin处理器的LabVIEW嵌入式模块所提供的图形化编程环境,以及Blackfin处理器的高处理器性能,开发周期也大为缩短[8]。
国内研究现状：我国对于仿生机器人的研究起步较晚，大约开始于20世纪80年代末。 清华大学、北京航空航天大学、中国科学技术大学、哈尔滨工程大学等对此进行过深入研究。中国科学技术大学成功研制出仿蜘蛛机器人，该机器人机械部分以蜘蛛为原型，在机械运动中实现自锁，凭借其特殊结构使得一个电机能够很好地控制多个自由度，进而在平地上能够完成前进、后退、转弯等动作。整个系统与地面附着能力强，在受外力时机身会产生一定偏移，当外力撤销后能够自动返回初始位置。该机器人虽然已经采用一系列措施来增加驱动力、减小整机质量，但由于驱动力小，仍不具备攀爬能力，只能够在平地上爬行。该项目下一步准备以气动的驱动方式来优化其机械结构，使之成为具有垂直攀爬能力的仿蜘蛛机器人[9]。哈尔滨工程大学研制出六足仿蜘蛛机器人，其主要由上位机PC、下位机主控制器、机器人本体和自主开发的电子陀螺组成。其中上位机发送指令到下位机，如定点旋转、纵向直行等；下位机根据上位机的指令，进行步态规划，控制其完成相应动作；电子陀螺检测机器人姿态，返回信息给上位机以供分析。该蜘蛛机器人可以完成直行步态、螃蟹步态以及定点转弯步态，采用中枢模式发生器控制机器人实现波形步态的节律运动。在步态规划方面，机器人采用单一的三角步态生成方法，而此方法在复杂地形中尚显不足。仿蜘蛛机器人若想在复杂的地形中任意行走，主要得益于自动复位功能，在今后的研究中，此仿蜘蛛机器人的本体结构需要改进，增加自动复位功能，使用多种步态生成策略，以增强其复杂地形的适应能力。利用类蜘蛛仿生机器人模仿了蜘蛛的行走特点, 遵循蜘蛛行走时的摆腿顺序 , 在不同情况下设计不同的摆腿行走顺序, 使机器人的灵活性以及对复杂环境的适应性大为增强, 能够快速灵活的进入侦测地形中, 对探测环境中的复杂情况进行及时了解并及时处理。通过对机器人学的研究, 能更好的符合仿生学的发展方向和趋势, 使步态模仿蜘蛛法达更加合理稳定的效果, 进一步提高机器人的行走速度[10]。现阶段的蜘蛛机器人采用了与国家仪器(NI)相结合的控制方案，实现了智能便携式系统的设计[11]。同时对蜘蛛机器人的机械零部件、行走机构、驱动控制和信息反馈及处理做了详细的分析和设计，使得蜘蛛机器人满足灵活、小巧、经济的要求。使得蜘蛛机器人完全异于普通机器人，提高其应用范围使得蜘蛛机器人不仅能实现探索，更能替人在无法到达的环境工作[12]。
参考文献
1.刘宇航， 石春源，陆绍鑫,等.智能蜘蛛机器人的设计与实现[J].机械工程师，2018(1):104- 106.
2.蒋欣哲.八足蜘蛛机器人的设计与实现[J].时代农机，2016, 43(4):53-53.
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