2014年4月，瑞士召開(kāi)日內(nèi)瓦國(guó)際發(fā)明展上，負(fù)責(zé)給全球45個(gè)國(guó)家和地區(qū)的1000多項(xiàng)發(fā)明“打分”的評(píng)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(gè)金獎(jiǎng)。
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(kāi)或者翻過(guò)去；如果你給它設(shè)置一個(gè)迷宮，它會(huì)循著S型的路線(xiàn)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(jī)器人。“蛇爸爸”，浙大機(jī)械電子工程專(zhuān)業(yè)的本科生汪文廣、張京韌、陳高翔和方詩(shī)麟給它起名為AirDancer。
要夠“柔軟”才像蛇
靈感來(lái)自于一個(gè)“偷懶”的想法。一天晚上，方詩(shī)麟躺在床上聽(tīng)歌，不小心把mp3掉到床縫里了。方詩(shī)麟突然想到，如果能有個(gè)機(jī)器人像蛇一樣靈巧又聽(tīng)話(huà)就好了。
方詩(shī)麟和小伙伴們一搜，果然有“蛇”，可是它們大多是有電機(jī)或舵機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)電所劉昊副教授上過(guò)《氣動(dòng)電子技術(shù)》課，如果采用氣動(dòng)的方式驅(qū)動(dòng)，是不是就能解決這些問(wèn)題呢？
劉昊聽(tīng)說(shuō)了同學(xué)們的想法，很贊成：“大家都在做電動(dòng)機(jī)器人，你們做氣動(dòng)的，很有創(chuàng)意！能自己提出創(chuàng)新的思想并努力實(shí)現(xiàn)，很好哇。”劉老師向四位男生開(kāi)放了實(shí)驗(yàn)室，還把他閑置的一個(gè)實(shí)驗(yàn)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(qiáng)的生物之一，是因?yàn)樗腥彳浂嘧兊纳碥|和多種運(yùn)動(dòng)形式，怎樣讓機(jī)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(jī)器人做得小巧又靈活。于是，四位男生開(kāi)始了第一代蛇形機(jī)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(jī)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(méi)有現(xiàn)貨，需要500個(gè)才能定做，而他們只需要30個(gè)關(guān)節(jié)軸承。
方詩(shī)麟和陳高翔只能到機(jī)電市場(chǎng)碰碰運(yùn)氣。第一次去，問(wèn)了一圈都沒(méi)有。他們回來(lái)歇了一天，又去了一趟。有個(gè)攤主很好奇，“你們是哪里的？要這么小的軸承做什么呢？”方詩(shī)麟和陳高翔如實(shí)相告。后來(lái)，熱心的攤主來(lái)電話(huà)說(shuō)，終于找到微型軸承了。
蛇身機(jī)械結(jié)構(gòu)有12個(gè)微型氣缸和1個(gè)手指擺動(dòng)氣爪。12個(gè)微型氣缸組成了四個(gè)蛇身模塊，每個(gè)蛇身并聯(lián)機(jī)構(gòu)有3個(gè)“關(guān)節(jié)”，整個(gè)蛇身有13個(gè)自由度。氣缸充氣就會(huì)伸長(zhǎng)，放氣就會(huì)自動(dòng)復(fù)位，也就是說(shuō)每個(gè)氣缸都有兩種姿態(tài)位置，這樣算下來(lái)，理論上整個(gè)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(dòng)控制系統(tǒng)。
劉老師說(shuō)，“他們首次把氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)和并聯(lián)機(jī)構(gòu)引入了蛇形機(jī)器人領(lǐng)域。”與同類(lèi)蛇形機(jī)器人相比，同樣大小的體積，并聯(lián)機(jī)構(gòu)能夠輸出更大的力，而且所使用的并聯(lián)機(jī)構(gòu)恰好與氣缸運(yùn)動(dòng)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(jiǎn)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(yùn)動(dòng)步態(tài)。蛇的各種運(yùn)動(dòng)方式都是靠身體與地面的摩擦，并且適時(shí)地改變自身的姿態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。他由此提出了最初的運(yùn)動(dòng)方案。
張京韌是4位男生中動(dòng)手能力最強(qiáng)的，平時(shí)經(jīng)常幫同學(xué)修自行車(chē)，當(dāng)張京韌把運(yùn)動(dòng)方案轉(zhuǎn)換為代碼導(dǎo)入之后，機(jī)器蛇卻沒(méi)有按照預(yù)想的前進(jìn)，而是“原地踏步”。
“一定是哪個(gè)參數(shù)出了問(wèn)題。”劉老師和大家一起根據(jù)蛇實(shí)際的運(yùn)動(dòng)過(guò)程討論分析其中的原因，由張京韌和陳高翔不斷地對(duì)步態(tài)進(jìn)行修改，最后使得蛇漸漸按照他們的想法去運(yùn)動(dòng)。
“機(jī)器蛇很調(diào)皮，有時(shí)候喜歡跟我們反著來(lái)，程序明明是向左拐，蛇卻翻滾著向右去，調(diào)試過(guò)程有點(diǎn)煩人，但當(dāng)看到蛇按照我們的設(shè)想做動(dòng)作的時(shí)候，就好高興。”蛇終于動(dòng)起來(lái)了，其他三位男生送給張京韌一個(gè)美譽(yù)，“馭蛇大師”。
“由電驅(qū)動(dòng)的機(jī)器蛇是‘剛性’的，做動(dòng)作比較生硬，我們的機(jī)器蛇是‘柔性’的，就很靈活，而且因?yàn)闆](méi)有電氣元件，AirDancer可以在其他同類(lèi)機(jī)器人不能到達(dá)的環(huán)境中，比如潮濕的管道中，依然行走自如。這個(gè)顯著的特性使得它的應(yīng)用前景十分廣泛。”劉老師說(shuō)。
2014年3月，四位男生和學(xué)弟們一起研發(fā)了第2代的機(jī)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）
