2014年4月，瑞士召開日內(nèi)瓦國際發(fā)明展上，負(fù)責(zé)給全球45個國家和地區(qū)的1000多項發(fā)明“打分”的評委們，特別青睞一條誕生于浙大玉泉校區(qū)的“蛇”，為它頒出了一個金獎。
這條蛇能在濕漉漉的草叢里自由地爬行，碰到障礙物就靈巧地避開或者翻過去；如果你給它設(shè)置一個迷宮，它會循著S型的路線優(yōu)哉游哉地穿越。甚至，它還能幫你“撿”東西———一款新型的蛇形機器人。“蛇爸爸”，浙大機械電子工程專業(yè)的本科生汪文廣、張京韌、陳高翔和方詩麟給它起名為AirDancer。
要夠“柔軟”才像蛇
靈感來自于一個“偷懶”的想法。一天晚上，方詩麟躺在床上聽歌，不小心把mp3掉到床縫里了。方詩麟突然想到，如果能有個機器人像蛇一樣靈巧又聽話就好了。
方詩麟和小伙伴們一搜，果然有“蛇”，可是它們大多是有電機或舵機驅(qū)動的，在自由度、越障能力、環(huán)境適應(yīng)性等方面都有欠缺。他們想到，機電所劉昊副教授上過《氣動電子技術(shù)》課，如果采用氣動的方式驅(qū)動，是不是就能解決這些問題呢？
劉昊聽說了同學(xué)們的想法，很贊成：“大家都在做電動機器人，你們做氣動的，很有創(chuàng)意！能自己提出創(chuàng)新的思想并努力實現(xiàn)，很好哇。”劉老師向四位男生開放了實驗室，還把他閑置的一個實驗裝置拆了給他們用。
蛇之所以能適應(yīng)各種復(fù)雜的地理環(huán)境，成為越障能力最強的生物之一，是因為它有柔軟多變的身軀和多種運動形式，怎樣讓機器人也能像蛇那樣自由蜿蜒呢？劉老師啟發(fā)四位男生，微型氣缸可以使機器人做得小巧又靈活。于是，四位男生開始了第一代蛇形機器人的研發(fā)。
4節(jié)蛇身可以變換4096種姿態(tài)
第一代的機器蛇直徑只有69毫米，這就要求所有的零件也是迷你型的。比如關(guān)節(jié)軸承，市面上大多數(shù)的直徑是15毫米，但他們需要的是直徑6毫米的。網(wǎng)上查了下，都沒有現(xiàn)貨，需要500個才能定做，而他們只需要30個關(guān)節(jié)軸承。
方詩麟和陳高翔只能到機電市場碰碰運氣。第一次去，問了一圈都沒有。他們回來歇了一天，又去了一趟。有個攤主很好奇，“你們是哪里的？要這么小的軸承做什么呢？”方詩麟和陳高翔如實相告。后來，熱心的攤主來電話說，終于找到微型軸承了。
蛇身機械結(jié)構(gòu)有12個微型氣缸和1個手指擺動氣爪。12個微型氣缸組成了四個蛇身模塊，每個蛇身并聯(lián)機構(gòu)有3個“關(guān)節(jié)”，整個蛇身有13個自由度。氣缸充氣就會伸長，放氣就會自動復(fù)位，也就是說每個氣缸都有兩種姿態(tài)位置，這樣算下來，理論上整個蛇身共有4096種姿態(tài)。蛇身的后面還拖著一條“尾巴”，也就是氣管，后面連著氣動控制系統(tǒng)。
劉老師說，“他們首次把氣動驅(qū)動和并聯(lián)機構(gòu)引入了蛇形機器人領(lǐng)域。”與同類蛇形機器人相比，同樣大小的體積，并聯(lián)機構(gòu)能夠輸出更大的力，而且所使用的并聯(lián)機構(gòu)恰好與氣缸運動方式相結(jié)合，省去了大量的減速裝置，使得結(jié)構(gòu)更為緊湊，更為簡單。
絕招：潮濕的管道中也能行走自如
汪文廣特別研究了蛇的運動步態(tài)。蛇的各種運動方式都是靠身體與地面的摩擦，并且適時地改變自身的姿態(tài)來實現(xiàn)的。他由此提出了最初的運動方案。
張京韌是4位男生中動手能力最強的，平時經(jīng)常幫同學(xué)修自行車，當(dāng)張京韌把運動方案轉(zhuǎn)換為代碼導(dǎo)入之后，機器蛇卻沒有按照預(yù)想的前進，而是“原地踏步”。
“一定是哪個參數(shù)出了問題。”劉老師和大家一起根據(jù)蛇實際的運動過程討論分析其中的原因，由張京韌和陳高翔不斷地對步態(tài)進行修改，最后使得蛇漸漸按照他們的想法去運動。
“機器蛇很調(diào)皮，有時候喜歡跟我們反著來，程序明明是向左拐，蛇卻翻滾著向右去，調(diào)試過程有點煩人，但當(dāng)看到蛇按照我們的設(shè)想做動作的時候，就好高興。”蛇終于動起來了，其他三位男生送給張京韌一個美譽，“馭蛇大師”。
“由電驅(qū)動的機器蛇是‘剛性’的，做動作比較生硬，我們的機器蛇是‘柔性’的，就很靈活，而且因為沒有電氣元件，AirDancer可以在其他同類機器人不能到達的環(huán)境中，比如潮濕的管道中，依然行走自如。這個顯著的特性使得它的應(yīng)用前景十分廣泛。”劉老師說。
2014年3月，四位男生和學(xué)弟們一起研發(fā)了第2代的機器蛇，可以根據(jù)不同的環(huán)境更換“皮膚”。
（文 吳雅蘭/ 攝影 張鴦）
