地面移动、空间探测、生物仿生……张拉整体机器人关键技术研究进展
本文回顾了张拉整体机器人的特点，总结了现阶段张拉整体机器人典型样机的研制进展，概述了张拉整体机器人的应用情况，分析了张拉整体机器人的关键技术，并探讨了未来张拉整体机器人有待于进一步深入研究的技术难题。
张拉整体结构是一种由受压杆件和受拉柔索相互连接而成自应力平衡的稳定空间结构，各压杆离散布置，压杆末端由拉索连接并形成一个空间结构。
不同构型的张拉整体结构
工程师将张拉整体结构引入机器人设计中，充分利用其拉索的柔性特点，通过改变拉索长度使机器人产生所需运动，具有极高的变形能力，抗压抗震性好，能够较好适应复杂工作环境。
张拉整体机器人具有刚性结构不具备的柔性特征，同时也解决了柔性机器人负载能力弱和速度低等问题，可实现驱动器内置，具有轻量级、可折叠和环境适应性好等优势。
不同构型的张拉整体机器人有着不同的性能特征，对应不同的应用场合。
地面移动领域
目前，张拉整体结构被广泛应用于地面移动机器人设计中。
张拉整体机器人蠕动步态一般仅限于3压杆结构和4压杆结构，步态速度较低，运动平稳，适用于非平整地形等复杂环境。
Agogino团队研制的TT-2和TT-3张拉整体机器人
滚动步态通常由3杆9索机器人实现，运动速度较快，适合在平整地形上运动，但运动效率低，减振性能差。
6杆张拉机器人斜面运动过程及灾难救援
6杆24索机器人为平面对称的20面体构型，具有良好的缓冲减振和移动性能，可产生滚动和蠕动2种步态，在相对平坦的地形中，滚动步态移动速度快，在斜坡等地形中采用蠕动步态，运动更加稳定，但移动效率较低。
跳跃步态适用于翻越沟壑、攀爬楼梯等特殊环境，但需要性能较好的驱动器。
Paul等研制的6压杆张拉整体机器人
滚动步态研究集中在控制序列分析上，缺少驱动参数对变形能力和运动性能的影响分析；跳跃步态受驱动器性能限制，整体研究较少。
国内基于张拉整体结构的移动机器人研究还处于起步阶段，近年来在基础理论和样机研制等方面取得了积极进展。
国内学者对张拉整体机器人的运动步态、驱动方式等进行了大量的研究，但现存的张拉整体机器人整体结构复杂，难以发挥张拉整体结构的优势，亟需对张拉整体机器人运动控制进行深入研究。
空间探测领域
为应对土卫六空间探测任务，NASA研制了6压杆张拉整体机器人SUPERball，由12个无刷直流电机驱动，利用电机控制绳索长度使机器人实现翻滚。
折叠后的SUPERball搭载火箭进入预定轨道后直接高空投放，机器人由扁平折叠状态展开成球状，着陆后开展表面探测。
张拉整体机器人SUPERball（a）及其高空投放示意（b）
NASA还开发了专用仿真软件NTRT，能够仿真分析张拉整体机器人的动力学特性和运动状态。
为减小样机质量，工程师尝试使用多种智能材料来驱动张拉整体机器人，但均存在响应速度低、伸缩驱动力小和位置控制精度低等缺点。
仿生领域
研究者近年逐渐将张拉整体结构应用到仿生机器人设计中。
张拉整体结构仿生机器人
目前，传统方法制造的张拉整体式结构较为复杂，而智能材料与张拉整体式结构的集成将为张拉整体机器人的制造提供新手段，这也是当前张拉整体机器人研究的热点之一。
寻找结构自平衡状态是张拉整体机器人研究的重要内容之一。“形”是指结构几何构型，“态”是指结构内力分布。
初始构型设计
目前，张拉整体机器人的初始构型设计大多是利用静力平衡方程作为依据，其弹性拉索的内力与构型有关，因此静力学分析可看作是找形问题的拓展。
几何解析法
几何解析法是以正多面体张拉整体机器人为主要研究对象，在多面体几何分析基础上发展的找形方法。该方法虽然能准确寻找对称多面体张拉整体机器人的构型，但不适用于非对称不规则结构。
力密度算法
力密度算法是一种把力和形状分析结合起来的找形方法。力密度因子结合了力和形状参数，但这种结合是一种线性化的假定。鉴于此，国内外学者提出了多种算法以克服线性化带来的缺陷。
张拉整体机器人初始构型设计是通过构件几何拓扑关系、节点空间位置、构件拉压属性和构件材料属性等要素来确定。
通常初始构型的设计依据分为：依据仿生学设计，如参照肌肉骨骼结构所设计的张拉整体结构仿生样机；同等外力下轻质化设计，涉及到受压结构、受拉结构、悬臂梁结构等。
初始预应力分析及结构稳定性判断
在施加预应力之前，张拉整体机器人无法依靠自身刚度维持形状，结构处于松弛状态，只有施加预应力才能成形并承受一定载荷。
张拉整体结构大多满足特定的几何对称条件，结构预应力分布理论上也与对称几何属性相吻合。但在实际应用中，由于压杆不连续，施加了预应力的张拉整体机器人可能变为不稳定结构。
针对张拉整体机器人的不稳定状态，国内外学者主要以平衡矩阵和切线刚度矩阵的正定性这两种方式为判据，对张拉整体机器人的结构稳定性开展了研究。
张拉整体机器人平衡形态可不依赖于外部约束而存在，因此如何消除刚体位移的影响是张拉整体机器人稳定性判定的关键技术之一。
在张拉整体机器人中，结构刚度分为主动刚度和被动刚度，而预应力（或控制内力）可以改变刚度。
要达到结构稳定则需要刚度矩阵是正定的，被动刚度通常是正定的，而主动刚度则与预应力有关，预应力越大，刚度越大。
由于张拉整体结构节点位移模态有无穷种，抵抗不同位移模态的能力（即结构刚度）也有较大差异，因此还需深入研究张拉整体结构的刚度问题。目前研究对机器人结构刚度尚缺乏系统分析。
外荷载作用下形态分析
张拉整体机器人对外部扰动十分敏感，随机外部荷载可能导致结构形态偏离初始形态，影响机器人正常工作。
研究张拉整体机器人在外荷载作用下的形态分析方法是非常必要的，主要有以下3种方法：
非线性矩阵位移法
以矩阵位移法为基础，将结构切线刚度矩阵修正为可逆矩阵，然后利用几何刚度矩阵分析初始内力的刚化效应。
动力松弛法
动力松弛法是一种几何非线性结构分析方法，通过引入虚拟质量和虚拟阻尼，将静力问题转化为拟动力问题，利用伪瞬态分析方法求解结构的刚度方程，运算速度快、计算收敛性好。
线性力法
通过添加“几何力”向量，对结构的平衡矩阵进行修正，使其满足行满秩条件，然后计算张拉整体机器人的结构形态。当结构存在强非线性时，可利用增量非线性力法分析结构变形全过程。
动力学特性及控制方法
对张拉整体机器人初期研究主要集中在静力学分析，重点在找形方法及稳定性的基础研究上，后期研究逐渐转向动力学及运动控制方面，代表性研究包括利用微分代数方程和常微分方程建立的动力学模型。
为了便于求解，将杆长不变的代数方程进行微分，将其转化为微分方程，然后整个动力学不存在代数方程，此外常采用增加额外的阻尼项来保证收敛。
对于张拉整体机器人，采用滑动绳索驱动不仅可以克服传统研究的缺点，且滑动绳索的引入可减小系统在驱动过程中的能量消耗。
总体上，针对张拉整体机器人多自由度、多模态弹性结构特点，现阶段研究者多采用智能控制方法来控制机器人基本运动，如遗传算法、协同进化算法、深度强化学习方法、神经控制和中枢模式发生器节律控制等。
目前，张拉整体机器人研究还需要更加完善的理论与实验研究，未来亟需解决的主要问题包括以下4方面：
（1）张拉整体机器人初始形态设计与参数优化。机器人初始结构形态及找形方法等缺少深入研究，缺少结构最优参数的理论分析方法。
（2）滚动步态和蠕动步态控制。针对滚动步态，缺少寻找合理控制序列的方法，缺乏滚动步态控制以及运动轨迹跟踪等方面研究；针对蠕动步态，缺乏有效的控制方法，使机器人产生稳定蠕动步态，避免产生滚动。
（3）缓冲减振技术研究。当环境存在较大外部载荷干扰时，如何有效吸收冲击能量并维持结构稳定，如何根据地面环境自主调整结构型态，这些方面目前还缺少足够研究。
（4）多系统分布式协同控制。单个张拉整体机器人作业能力有限，为提高工作任务可靠性和作业范围，有必要开展多机器人的分布式工作，未来可综合利用人工智能算法等手段，解决多张拉整体机器人的系统协同驱动问题。
作者简介：崔祚，贵州理工学院航天航空工程学院，副教授，研究方向为仿生机器人和张拉整体结构。
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