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连续型机器人研究综述(一)

2012/6/27    来源:万方数据    作者:孙立宁  胡海燕  李满天      
关键字:连续型机器人  仿生机器人  控制算法  路径规划  
连续型机器人是一种新型的仿生机器人,采用“无脊椎”的柔性结构,不具有任何离散关节和刚性连杆,其弯曲性能优良,对障碍物众多的非结构环境和工作空间狭小的受限工作环境适应能力强,不仅可以像传统机器人那样在其末端安装执行器以实现抓取和夹持等动作,还可以利用其整个机器人本体实现对物体的抓取。本文对连续型机器人的仿生原理与结构特点进行了分析,介绍了连续型机器人的研究现状,并对其潜在应用领域和未来研究工作进行了探讨和展望。

1 引言

    机器人不仅能提高工人的生产效率,代替人类完成重复乏味和危险的工作,还可以完成人类所不能胜任的某些工作,因此日益受到人们的重视并得到广泛应用,其中仿人类上肢结构的机器人应用最为广泛,这类机器人属于离散型机器人(discrete robot),它由离散的单自由度关节和刚性连杆构成,机器人的运动仅在各单自由度关节处产生,刚性连杆用于保持各关节间的相互几何关系并构成机器人的整体形状,通过对各单自由度关节的驱动控制来实现机器人末端执行器位姿的变化。这类离散型机器人主要用于自由空间内的多自由度运动,由于它一般只有5至7个关节,自由度有限,因此对非结构环境和工作空间受限的环境适应能力不强。

    近年来,随着仿生技术的快速发展,出现了一类新型的仿生机器人:连续型机器人,与离散型机器人采用离散单自由度关节和刚性连杆的结构不同,连续型机器人采用与章鱼触角和象鼻子等生物器官类似的“无脊椎”柔性结构,不具有任何离散关节和刚性连杆。这种新型的仿生机器人具有传统离散型机器人所无法媲美的优良弯曲性能,可以柔顺而灵活地改变自身的形状,因此能够根据环境障碍物的状况而灵活改变自身形状,对工作空间狭小的环境和非结构化环境具有独特的适应能力。

2 连续型机器人仿生原理与结构特点

    2.1 连续型机器人的仿生原理

    在自然界的生物器官中,存在着众多连续型结构,如象鼻子、蛇体、章鱼触手以及哺乳类动物的舌头,这类动物器官具有异常灵活的弯曲特性。连续型机器人就是受这类连续型结构的动物器官的启发而设计的。图1为章鱼触手的横断面组织结构示意图。在章鱼触手的轴心位置为轴向神经索,神经索外围主要有3种肌肉:横肌、纵肌和斜肌,在这3种肌肉的外围包覆有一层结缔组织。横肌的肌肉纤维与触手的长度方向垂直,并延伸至结缔组织层。从体积上看,纵肌是触手的主要组成部分,其肌肉纤维方向与触手长度方向一致,并被横肌分为上、下和左、右两对。斜肌由外部斜肌、中间斜肌以及内部斜肌3部分组成,由于章鱼触手肌肉组织的体积模量比较大,其体积无法显著改变,因此其运动是基于常体积原理而实现的:触手一组肌肉组织的收缩使触手某一维度的长度变短,与此同时,其他肌肉组织伸展使触手另一维度的长度变长,而总体积保持不变,章鱼触手的伸长动作是通过横肌的收缩和纵肌的伸长而实现;其弯曲动作则通过被横肌所分隔的两对纵肌的长度变化而实现,当触手的上部纵肌收缩而下部纵肌伸展时,触手将向上弯曲,当上部纵肌伸展而下部纵肌收缩时,触手将向下弯曲,触手的左、右弯曲则是通过左右纵肌的类似收缩和伸展而实现。除此之外,章鱼触手还可以通过斜肌的收缩而产生扭转动作。

章鱼触手横断面组织结构

    图1 章鱼触手横断面组织结构

    2.2 连续型机器人的结构特点

    仿照章鱼触手的组织结构特点,连续型机器人外形一般为圆柱形,采用连续型结构,不带任何刚性关节和连杆,可以由多段串联而成,每段均可以实现上下、左右两方向的柔顺弯曲运动,还可以实现其长度方向的伸缩运动。为了保持整个机器人的整体形状并为机器人的弯曲提供一定的弯曲刚度,连续型机器人所采用的支撑形式一般可分为以下3种:

    1)轴心柔性支架支撑,在机器人轴心固结弹性复合材料类或弹簧管类柔性支架;

    2)表面柔性覆盖层支撑,在机器人圆柱形内表面或外表面覆盖弹性树脂层、硅胶层或其他具有一定弯曲刚度的弹性层;

    3)气压支撑,向连续型机器人密封内腔注入一定压力的气体以达到支撑的目的。

    仿照章鱼触手的运动机理,连续型机器人一般采用4个柔性驱动装置,在其圆周方向间隔90°均匀布置,其作用类似于章鱼触手的上下、左右纵肌,通过4个柔性驱动装置的协调运动,实现其2自由度弯曲能力。从减小机器人体积方面考虑,利用在圆周方向均匀分布的3个驱动装置也可达到同样的目的,连续型机器人的具体驱动方式分为内置驱动、外置驱动和混合驱动3种方式。内置驱动方式将驱动器置于连续型机器人本体内,实现对机器人的直接驱动。常用的内置驱动器包括:1)气动人工肌肉,利用驱动气压的改变实现驱功器长度的变化;2)记忆合金弹簧,利用通电电流所产生热量的大小改变弹簧的长度,外置驱动器驱动方式则是将驱动器置于机器人本体之外,通过连接装置将运动传递至机器人本体,这种远程驱动方式具有可以减小机器人本体体积、结构紧凑的特点,外置驱动方式的主要形式为线驱动方式,通过外部电机改变驱动线长度而驱动机器人运动,混合驱动方式为内置驱动与外置驱动的结合,一般采用气压与线驱动相结合的方式,从而不仅具有两自由度的弯曲运动能力,还具有轴向伸缩能力。

    连续型机器人的优点有:

    1)弯曲灵活,弯曲半径小;

    2)外形尺寸可以很小,可在管道等狭小工作空间内运动;

    3)对多障碍物的非结构环境适应能力强:

    4)除了末端可以安装执行器完成操作外,整个机器人本体也可以作为执行器完成抓取动作。

    连续型机器人的缺点有:

    1)多自由度弯曲控制比较困难:

    2)控制精度不高;

    3)由于机器人结构的限制,其负载能力不高。

 

责任编辑:程玥
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