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连续型机器人研究综述(二)

2012/6/28    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。

连续型机器人研究综述(一)  

美国斯坦祸大学的Camarillo等人研制了一种如图9所示的连续型机器人。该机器人总长度约为700mm,直径为4mm,分为3段,每段各具有2个自由度,从而整个机器人共具有6个自由度,利用四线驱动方式实现对各段的运动控制,该机器人为导管形式,利用超弹性的NiTi合金薄壁管作为支撑支架,内部为空心结构,可以作为摄像头等器件的数据传输通道。Camarillo等人还对该机器人的力学模型和运动学进行了分析和研究。

斯坦福大学的线驱动连续型机器人

    图9 斯坦福大学的线驱动连续型机器人

    法国的Chen和Redarce等研究人员研制了一种如图10所示的单段连续型机构Clobot,其目的是将其作为结肠内窥镜的末端弯曲机构。该机构采用硅橡胶材料来保证与人体肠道的生物相容性,其外径为17mm,内径为8mm,采用气压驱动方式,在其内部圆周方向均匀分布有6个通道,其中的3个通道为主动气压驱动通道,通过3个伺服阀进行控制,用于驱动该单段连续型弯曲机构的2自由度弯曲运动,另外的3个被动通道则用于减小由于主动通道的内部压力而造成的机构尺寸变化,该单段连续型机构在0.2MPa的气压驱动下可以实现圆周任意方向的120°弯曲。

Clobot及其横断面结构

    图10 Clobot及其横断面结构

    美国Vanderbilt大学的Webster等人研制了一种同心管连续型机器人(concentric-tube continuum robot)。如图11所示,该机器人由3段超弹性的NiTi合金管构成,合金管的最大直径为2.39mm,最小直径为0.8mm,均被预先加工为某一弯曲半径的圆弧形状,较小直径合金管被置于较大直径合金管内腔以构成同心管结构,通过改变两合金管弯曲方向的相对角度即可控制该同心管的弯曲运动,并具有2个弯曲自由度,整个连续型机器人共具有6个自由度。该连续型机器人的特点是不采用线驱动或者气压驱动方式、尺寸非常小,具有较强的医疗应用价值。

Vanderbilt大学的连续型机器人

    图11 Vanderbilt大学的连续型机器人

    韩国汉阳大学的Choi等人研制了一种弹簧骨架支撑的连续型内窥镜机器人弯曲关节。如图12所示,该内窥镜机器人弯曲关节直径为8mm,长度为104mm,通过弹簧支架支撑,弹簧支架起着保持机器人的形状和为弯曲运动提供弯曲硬度的作用,机器人的运动通过其内部3根驱动绳索的协调运动而实现,整个机器人弯曲关节共具有3个自由度,除了用于实现绕轴心任意圆周方向弯曲的2个自由度之外,还具有沿其长度方向的直线运动自由度,用于实现沿轴线方向的收缩和伸长运动。

基于弹簧支架结构的连续型机器人

    图12 基于弹簧支架结构的连续型机器人

 

责任编辑:程玥
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