机械动力学大作业2016年5月
天津大学机械工程学院机械工程专业2015级硕士生
摘要：连续型机器人是一种柔顺、灵活性高的新型仿生机器人。与串并联机器人等传统的离散型机器人由离散的关节和连杆组成的结构不同，这种柔性的“无脊椎”机器人由柔性支柱构成，而没有任何刚性关节和连杆，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。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。 0 前言
1962年，由美国Unimation公司设计生产的第
一台工业机器人Unimate在通用汽车公司投入使用，
太阳能电池背板标志着第一代机器人的诞生。
现今，应用最为广泛的工业机器人大多由机械
臂与机械手两部分组成。常用机械臂拥有6个自由
度，其设计灵感来源于人类手臂，可实现大范围的
轨迹规划、避障、定位等运动。而机械手主要负责
与环境交互，实现目标抓持等任务。机器人的作业远程运维服务
水平常常取决于末端执行器的精确度、灵活性以及柔顺性。
连续型机器人是一种新型的仿生机器人。ROBINSON等在1999年提出将连续型机器人、离散型机器人以及蜿蜒型机器人作为机器人的3大类型。连续型机器人以其优异的柔顺性受到了国内外广大学者的关注。连续机器人灵感来源于大象鼻子、章鱼触手等动物器官。该类动物器官没有特定骨架或软骨结构，但拥有惊人的操作能力。相对于传统离散型机器人，连续型机器人在缺乏刚性关节的基础上，可模仿上述动物器官操作。由于连续型机器人的外形可以灵活改变，因此具有根据环境障碍物的状况而改变自身形状的能力，对工作空间受限的环境具有独特的适应能力。其应用前景广阔，可以应用于多障碍物工业环境内的作业、弯曲管道和塌陷建筑物内的侦查和搜救、核电站内部管路的维护、人体消化道疾病的诊疗等场合。
图1连续型机器人原理样机机械结构
印第安笛1 连续机器人的结构特点
1.1 基本原理介绍
连续型机器人是基于生物仿生学原理研发，其设计灵感来源于象鼻、蛇、章鱼触手等生物器官。
图2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。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。
图2章鱼触手横断面组织结构
医用泡棉1.2 动力学分析
与传统的串、并联机器人等关节型机器人由刚性关节和连杆组成的结构不同，连续型机器人不具有刚性的旋转和平移关节，因此不能利用传统的D-H方法对其进行运动学分析。本文采用一种简练、直观的几何分析方法对其单关节运动学和多关节运动分别进行分析。本运动学算法的分析基于以下前提条件。
(1)在连续型机器人弯曲过程中，机器人各关节假定为弯曲曲率相等的光滑连续曲线。
(2)连续型机器人的支撑圆盘和支架的重量忽略不计，从而忽略重力的影响。
(3)支撑圆盘安装得足够近，驱动线在机器人弯曲过程中假定为等曲率的曲线。
1.3 连续机器人特点
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。2 连续机器人研究现状
美国的Walker教授和Gravagne等人对连续型机器人的结构、算法和运动控制技术进行了大量的研究，研制了多种形式的连续型机器人。其中包括如图3所示的仿象鼻子机器人，该机器人总长为83cm，质量
为4.0kg，直径为6.3cm～10.1cm，在结构上分为4段。机器人采用四线驱动方式实现每段的2自由度运动能力，每个自由度的最大弯曲角度40°。通过对
各节的协调控制，该机器人可以在3维空间内灵活弯曲，并具有一定的负载能力，能实现对一定重量的圆柱形和球形物体的抓取。
图3仿象鼻子机器人
Walker教授与Jones的研究小组还研制了一种仿章鱼触手的连续型机器人OctArm。如图4所示，该机器人利用McKibben气动人工肌肉作为驱动装置，机器人总长为110cm，在结构上分为4节，
每节长度约为40cm，每节由6段或者3段人工肌肉驱动，均具有2自由度的弯曲能力，整个机器人共具有12个自由度。该机器人能够抓取复杂形状的物体，并可在受限工作空间内运动。其末端最大运动速度可达0.8m／s，在4.5bar的压力状态下，该机器人在垂直方向的负载能力可达12kg，在横向的负载能力可达0.5kg。并利用无线控制方式对该机器人系统进行了户外和有水环境的抓取能力实验，展示了该机器人对复杂环境的优良适应能力。
气动人工肌肉由外部提供的压缩空气驱动，作推拉动作，其过程就像人体的肌肉运动。它可以提供很大的力量，而重量却比较小，最小的气动人工肌肉重量只有10g。气动人工肌肉会在达到推拉极限时自动制动，不会突破预定的范围。多个气动人工肌肉可以按任意方向、位置组合，不需要整齐的排列。
图4气动肌肉机器人
图5气动肌肉
美国JohnsHopkins大学的Simaan等人研制了一
种用于喉咙外科手术的连续型机器人。如图6所示，
该机器人直径为4mm，由两段弯曲关节和末端的夹ctp版材
持装置构成，共具有5个自由度。结构上主要由中心
超弹性NiTi合金管和在长度方向等距离分布的支撑
圆盘构成。在第1关节的支撑圆盘圆周方向均匀分布
着3根NiTi合金管，这3根NiTi合金管具有多重作用：
驱动第1关节实现2自由度弯曲运动、为第1关节提
图6JohnsHopkins大学的医用连续型机器人
供辅助支撑、作为第2关节驱动绳索的导管．其末端
夹持器由通过中心支撑合金管内部的合金丝进行驱
动。它能够在狭小工作空间内实现弯曲运动和夹持动
作，具有较好的医疗应用前景。
3 应用和发展方向
连续型机器人具有良好的弯曲特性，对狭小工作
空间环境和障碍物众多的非结构环境适应能力强，适
合于在未知环境中工作，不仅可以像传统机器人那样
在其末端安装执行器，实现抓取和夹持等动作，还可
以利用其机器人本体实现对物体抓取，因此其应用范
围十分广泛。如在工业领域，可在飞机翼肋隔舱等狭
小工作环境内执行钻孔、涂胶等作业，在安全服务领
域，可执行对核电站冷却管路的检修作业、地震等灾
难造成的塌陷建筑物内被困人员的搜救作业，在军事
领域可以执行通过弯曲管道或者障碍物对目标进行
侦察的作业等。这些任务均难以利用传统工业机器人
实现，而利用连续型机器人则可以很好地完成任
务．除此之外，医疗领域也是连续型机器人具有独特
优势的重要潜在应用领，利用连续型机器人作为微创
手术的重要工具，可以对人体颅腔、腹腔、上消化道
和下消化道等部位进行检查和实施微创手术。
未来发展方向：
1、新结构、新材料与新型驱动技术
柔性与负载能力对连续型机器人设计来说是一
对矛盾，需要对机器人整体进行规划与优化，利用
新型材料设计出适合于连续型机器人的高强度、高柔
性的连续型结构以及具有较高功率重量比且结构紧
凑的驱动装置。
2、传感器与欠驱动控制技术
连续型机器人理论上具有无限多个自由度，而传
感器的数量是有限的，因此许多自由度是无法直接测
量和控制的，本质上是一种欠驱动机器人，其全局闭
环控制具有挑战性。
3、实时路径规划
绿隔热玻璃连续型机器人在狭小工作空间环境和多障碍物
的非结构环境中工作时，需要根据其柔性结构特点
采用一种高效的路径规划算法进行实时路径规
划，避免在多种可能解中反复搜索。
4、人机交互技术
连续型机器人与传统机器人的结构完全不同，可
能会给操作者带来某些错觉，尤其在执行整个机
器人的抓取操作和在多障碍物的非结构环境中运动时操作难度会比较大，因此需要设计人机交互性能友好的操作软件和硬件，以给操作者提供人性化的输入和反馈。
4 个人想法总结
1、对于半刚性半柔性机器人
继承了柔性和刚性机器人的优点，但是强度和柔性都折中了。我认为提高这种机器的载荷和柔性可以从材料和结构入手，提高材料的强度可以增加载荷能力，增加关节数量可以提高柔性，这些性能需要根据实际的需求来确定。对于抓取力度的控制，我觉得可以在机械手臂外加一层柔性材料，并在里面加上能感受压力的传感器。
2、对柔性机器人
(1)可否在封闭的肌肉中冲入某种通过电流、温度等变化能加强和减弱刚度的材料，这样就能通过外加电流、热量控制肌肉的强度了。
(2)能否制造有许多小腔的肌肉，通过与高低气压管相连，并通过控制每个小腔的冲放气，改变其气压控制变形量。通过研发一种合理程序拟合整体的位置参数。因为小腔数量多，所以更能灵活多变，能适应更复杂的情况，当然控制变得十分复杂，运算量也成倍的增长。
(3)可否通由因电流、温度改变而产生形变的纤维组成仿生肌肉。通过对生物肌肉纹理机能的研究，将纤维做成类似生物肌的组织。如果做成模拟人体构造的机械，将其应用于医学将有助于残疾人的身心健康。
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参考文献
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