多自由度和可变结构的柔性仿生张拉整体机械手臂|CJME论文推荐
本论文已于2020年2月发表在Chinese Journal of Mechanical Engineering, 欢迎大家点击文后“阅读原文”，浏览详情。
传统机器人大多使用刚性材料、非弹性关节和刚性执行器，在高度非机构化、不规则障碍物的复杂环境中，传统机器人受到自身刚性结构的限制，制约了其避障能力, 导致其灵活性与适应性相对较差。在执行复杂空间任务特别是涉及物理人机交互的工作时，传统机器人不能安全高效地完成任务。相比之下，自然界中的动物，他们大多数的特征具有柔性和顺从性，并且他们环境适应能力强，运动灵活性好。近年来发展起来的柔性或软体机器人具有多自由度、高灵活性和良好的交互操纵能力等特点。但是，现有的软体机械手臂仍然无法像动物那样能在特定节段实现收缩运动和独立控制，限制了操作空间和应用场景。
为了解决传统机械手臂灵活性差，避障能力有限，工作空间受限等问题，在基于章鱼触手仿生学灵感的启发下设计一种多自由度柔性仿生张拉整体机械手臂，模拟了章鱼触手的收缩弯曲行为，在不增加驱动源的情况下实现了各节段的可变运动模式。
本文以章鱼触手的纵向和横向肌肉为灵感，设计了一种柔性仿生张拉整体机械手臂，模拟了章鱼触手的收缩行为，实现了各节段的可变运动模式。该机械手臂以弹性弹簧为骨架，由四根绳索驱动，每节有一个变结构机构，实现对每节的独立控制。该变结构机构创新地包含7种锁定-释放状态，独立控制各节段的弯曲和收缩运动。在运动学建模和分析的基础上，设计了柔性仿生机械手臂的原理样机，采用开环控制方法，通过分别控制两个变结构机构与对应的绳索的收缩与释放实现机械手臂的连续弯曲变形。此外，通过同时收缩和释放所有绳索实现柔性机械手臂的收缩与伸长。为了验证变结构机构的功能特性，电机以相同的方式工作驱动四个绳索驱动，并将两个变结构机构控制在不同的状态。在试验原理样机完成形变与伸缩后，通过实验结果分析得到不同绳索的长度和在不同状态下绳索的变形值与变形形态，得到模型在不同变结构状态下的变形位移。通过分析不同变结构状态下模型的偏移量和变形形态验证模型的可控性。
通过论文中图11可以看出当锁定第一段和第二段中的绳索A，同时直流电机驱动其他绳索收缩，模型将向左弯曲。同样的，如果第一段和第二段绳索C处于锁定状态，模型可以通过绳索A收紧而向右弯曲。根据这样的思路，如果我们可以通过控制绳索锁定状态同时驱动对应的绳索收缩也可以得到类似的可观的结果。论文中图13是保持第一节与第二节变结构机构释放所有的绳索，四个电机同时驱动四根绳索收缩，模型将沿轴向收缩。在图14（a）中给出了控制两个锁定机构锁定绳索A和绳索C时，可以看出只有第一段变形其他两段没有变形。如图14（b）所示，如果只控制第二个锁定机构来锁定绳索A和绳索C，即使控制相同的绳索机械手臂的两段也会同时变形。在图14（c）中可以看到三段绳索同时收缩时机械手臂的三个部分同时产生了变形。可以得出在控制锁死-释放机构不同的状态下，控制相同的绳索收缩可以得到不同的空间位置，柔性机械手臂可以实现连续变形。通过实验结果分析，可以得到不同绳索长度和不同绳索在锁定和释放状态下的变形值，在图16是在以上三种情况下，当绳索同时收缩相同长度时机械手臂的三个部分产生了不同的变形。不同锁定状态下模型的偏移量和构型不同。通过控制四根索的长度和调节变结构机构的锁死-释放状态，开展了收缩运动、弯曲运动和变结构运动的原理验证，验证了该样机的可行性和有效性。实验结果表明，利用变结构机构对各节段进行简单的独立控制，柔性机械手臂可以完成弯曲和收缩运动，相对误差小于6.8%。该机械手臂具有各节段自由度可控的特点，提高了机械手臂的环境适应性和操纵能力。
图11
图13
图14
图16
本文以章鱼触手的可变运动模式和肌肉为灵感，提出了一种柔性仿生张拉整体机械手臂来模拟章鱼触手的收缩行为，实现各节段的可变运动模式。通过概念验证实验，验证了该方法的可行性和有效性。得出以下结论:
(1) 柔性仿生张拉整体机械手臂是将弹簧元件弹簧与绳索驱动相结合来实现生物柔顺特性。与其他绳索驱动连续体机器人相比，这种柔性仿生张拉整体机械手臂不仅实现弯曲运动，还能完成其他绳索驱动连续体机器人所没有的收缩运动。同时，该机械手臂具有多自由度和高柔性的特点，扩展了其环境适应性和操纵能力。
(2) 变结构机构创新地包含七种锁释放状态，实现不同绳索在各节的锁死和释放。通过该方式可以控制每根绳索的长度，调整每个节段的运动模式。与其它多段连续机器人相比，在不增加驱动电源的情况下，实现了各节段的独立控制。
(3) 设计并制造了原理样机。采用一种开环控制方法来调节锁死和释放状态和控制绳索的长度。通过这种方式，柔性仿生张拉整体机械手臂可以实现良好的运动特性和可变的运动模式。借助原理样机开展了相关的实验，如弯曲运动、收缩运动和可变结构运动，以展示该机械手臂的一些基本能力。
在后续的研究中，本文作者计划将该模型结构进一步优化，并与传感器和控制模块集成，设计闭环控制策略，以实现更精确的位置和刚度控制，同时分析并解决实际应用中的影响因素，如负载能力、绳索松弛、传动间隙、弹簧振动等，以充分展现在特定应用场景中的优越性能。
与传统刚性机械手臂相比，柔性机械手臂具有自由度大、灵活性高、环境适应性强、应用范围广等特点。由柔性变结构机构所设计的软体机器人或柔性机械手臂在高度非结构化、不规则障碍物的复杂环境中可以充分发挥柔性机器人自由度大、灵活性高等特点，展现良好的人机共融特性。
Dunwen Wei, Tao Gao, Xiaojuan Mo, et al. Flexible Bio-tensegrity Manipulator with Multi-degree of Freedom and Variable Structure. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2020, 33:3. DOI:10.1186/s10033-019-0426-7
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魏敦文，博士，电子科技大学讲师。西北工业大学/美国康奈尔大学联合培养博士，IEEE会员，主要研究方向包括仿生机器人、机器人机构学与控制、智能无人系统。近年来主持国家自然科学基金1项、省部级项目3项、中央高校基金1项，同时主研多项国家863项目、军委基金项目。近年在国内外高水平学术期刊、会议上发表论文10余篇，授权国家发明专利7项，软件著作权2项。
（1）仿生跑跳关节关节技术研究（国家自然科学基金：基于变胞机构多构态弹性驱动仿生跑跳机器人关节研究）通过对弹性驱动器的仿生机理与设计方法、多构态弹性驱动器的优化设计与控制方法等技术的研究，提出一种新型多构态冗余弹性驱动器模型。探索利用变胞机构理论和弹性驱动器技术构建高性能仿生跑跳关节的设计理论，达到关节输出功率的调节、能量的高效利用和碰撞安全稳定性落地，为未来足式负重跑跳机器人、可穿戴机器人和人工假肢的研究提供理论基础和关键技术支持。
（2）微型仿生跳跃飞行软体机器人（中央军委装备发展部项目：XXX）蝗虫具有跳跃飞行爬行多种运动模式，其中跳跃运动具有越障能力强、运动灵活性好，并且其发力具有突发性和爆发性特征，项目基于蝗虫飞行跳跃腿部和翅膀耦合运动机理的研究，利用变胞机构原理和软材料驱动设计了一种能实现跳跃和飞行的多运动模式仿蝗虫机器人。研究成果可应用于救援、军事侦查领域。
近两年发表文章
（1）Z Xu, C Ding, D Wei, et al. Electro and Light-Active Actuators Based on Reversible Shape-Memory Polymer Composites with Segregated Conductive Networks. ACS Applied Materials & Interfaces, 2019, 11(33): 30332-30340.
（2）D Wei, T. Gao, Z. Li, et al. Hybrid Inspired Research on the Flying-jumping Locomotion of Locusts Using Robot Counterpart. Frontiers in Neurorobotics, 2019,13, 87.
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