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受象鼻和章鱼触手等自然生物附器的启发，绳索驱动式连续型机器人成为一类能够通过灵活变形实现与非结构化环境交互的机器人范式。此类连续型机器人由于其显著的结构顺应性和强大的承载能力，广泛受到科研学者的关注。本课题组也持续在绳索驱动式连续型机器人的范式开发、力学分析及控制策略等领域开展工作，如图1所示。
图 1 连续型机器人的机构范式
与传统的刚性机器人相比，连续型机器人以其固有的灵活性、适应性和安全性而脱颖而出，在各种应用中显示出巨大的潜力，包括微创手术、搜救和安全的人机交互等。对于连续型机器人而言，模块化的机构设计方法能够赋予其在各种场景中具有显著的通用性。然而，传统的装配方法通常采用线性连接方式来组合模块单元，这种限制可能会阻碍连续型机器人在特定环境中的交互能力。针对这一问题，中山大学吴嘉宁副教授课题组探索了不同的模块装配模式对连续型机器人运动灵巧性的影响，相关研究以《In Situ Reconfiguration of Assembling Pattern for Modular Continuum Robots》为题发表在Journal of Bionic Engineering (JCR Q2, IF: 4.0)。中山大学博士生张捷、本科生蔡建南为共同第一作者，中山大学吴嘉宁副教授和大连理工大学彭海军教授为共同通讯作者。
图 文 导 读
立足于当前连续型机器人因模块连接形式单一而引起的运动灵巧性受限问题，本研究关注人体关节的连接方式，即：为了增强膝盖的稳定性，肌肉的收缩有助于将膝盖保持在特定的位置，使股骨和胫骨呈现出运动所需的装配模式。基于人体的股骨和胫骨之间的装配模式多样性，本研究讨论了连续型机器人单元模块在三种不同装配模式下的运动能力，如图2所示。在以往研究中，采用单一的装配模式只能够使双模块组成的连续型机器人呈现出16种变形形态。相比之下，通过丰富单元模块之间的装配模式，此连续型机器人能够在仅一组驱动器的控制下展现出更加多样的最终形态。同时，这种差异将随着单元模块数量的增加而变得更加明显。
图 2 连续型机器人单元模块间的装配模式
为了进一步阐述装配模式对连续型机器人运动灵活性的影响，本研究采用位置坐标有限元法推导了连续型机器人的单元模块力学模型，通过引入约束方程的方式描述单元模块间的装配模型，最终构建了此类连续型机器人的力学分析模型，如图3所示。
图 3 连续型机器人的约束条件及装配模式
基于上述的力学分析模型，采用数值模拟的方法能够预测连续型机器人在相同驱动准则下的变形构型，如图4所示。这里，结合连续型机器人的刚度调控策略，能够获取连续型机器人在不同刚度序列及装配模式下的二维运动空间。通过对比这些运动空间，说明初始装配策略的差异能够对连续型机器人的变形特性进行编程化操作。
图 4 连续型机器人的二维运动空间
依托对连续型机器人运动空间的理论预测结果，可以定制化地实现机器人末端抵达特定位置的能力，如图5所示。
图 5 不同场景下的连续型机器人装配模式及应用
在本研究中，研究人员不仅阐述了丰富装配模式的必要性，而且初步探索了装配模式对模块化连续型机器人的运动行为影响。在未来的工作中，需要进一步研究如何实现这些装配模式的动态调控以及其可能引起的相关力学问题。
论 文 信 息
Journal: Journal of Bionic Engineering
Authors: Jie Zhang, Jianan Cai, Ke Ma, Jinzhao Yang, Zhigang Wu, Haijun Peng, Jianing Wu. In situ reconfiguration of assembling pattern for modular continuum robots [J]. Journal of Bionic Engineering, 2024.
DOI: 10.1007/s42235-024-00523-5
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