连续型机器人在探索非结构化环境方面具有很强的适应性，在实现人机交互方面具有很高的安全性。为了进一步提高它们的敏捷性，这些机器人必须具备弯曲和伸长运动模式。然而，采用统一的驱动策略将不可避免地导致这些模式之间的运动耦合，这对变形曲线的预测和调节提出了重大挑战。本研究以观察到的象鼻肌纤维的运动调节为灵感，提出了一种混合驱动的模块化连续型机器人。这种机器人配置可以通过不同驱动方式调制运动模式，从而实现对弯曲和伸长运动的独立控制。在这里，模块的每个支撑结构气腔不仅产生了62.76±0.01%的伸长率，而且具有35.53±1.18°弯曲角的弯曲变形能力。然后，通过对由三个模块组成的单关节连续型机器人的理论和实验研究，说明了分离弯曲和伸长运动模式的驱动方法有效地缓解了运动耦合，提高了连续型机器人的运动精度。此外，还展示了两关节连续型机器人的多功能性，通过结合不同的运动模式，它可以变形成不同的轮廓来抓取，移动和释放物品。相关工作以“Hybrid-Driven Continuum Robot with Decoupled Motion Patterns for Dexterous Manipulation”发表在国际期刊《IEEE Robotics and Automation Letters》（中科院二区TOP，JCR Q2，IF：4.6）上。
图 文 导 读
图1. 混合驱动模块化连续型机器人。(A)观察象鼻抓取物品时动物行为的实验装置。Pi (i = 1，…，4)表示大象和物品之间的距离。(B)象鼻的变形评价，即弯曲角θ和伸长率η。(C)混合驱动连续型机器人原理图，其中各模块的高度为H，半径为R。在这个机器人配置中，每个关节由三个模块组成。每个模块包含7种部件，即1-气腔，2-节段板，3-管口，4-锁紧结构，5-内支撑，6-外支撑，7-驱动缆索
图2. 单个模块i的运动模型. (a)模块i中，弯曲角为θi，偏转角为φi。驱动缆索的长度变化为Δli_j (j = 1,2,3)。(B)由三个模块组成的单关节弯曲变形示意图。在同一关节中，每个模块表现出相同的弯曲角θi。
图3. 伸长模块的弯曲变形。(A)单个模块弯曲变形快照。(B)不同结构长度下模块的最大弯曲角θ。(C)理论与实验驱动缆索长度变化的比较。在模块中，驱动缆索通过预制孔，这些孔均匀分布在直径为40mm的圆周上。在气腔内充不同压力后，可以确定模块的高度，并记录相应的弯曲运动，如图3(A)所示。根据快照，研究者测量了不同结构长度模块的最大弯曲角θ，如图3(B)所示。研究者发现最大弯曲角并不是随着长度的增加而持续增加。当气压达到9kPa左右时，模块最大弯曲角为35.53±1.18°。根据弯曲角度，还计算了驱动缆索的理论长度变化，如图3(C)所示。通过与实验结果的比较，最大误差仅为3.51%，表明该运动学模型可以预测弯曲运动。这种误差可能是由组件之间的摩擦引起的，例如驱动缆索和节段板间摩擦，以及驱动缆索的预张力不足。理论结果与实验结果吻合较好，表明可以将上述理论分析方法应用于连续型机器人的变形预测。
图4. 伸长率和弯曲运动之间解耦的评估。(A)拉长时气腔的长度。(B)同一关节内各模块的弯曲角度。为了说明不同驱动方法在避免运动耦合中的应用，研究者评估了同一关节中三个模块中不同运动模式之间的相互影响。在关节中，模块和支撑结构气腔从基部到末端分别标记为Mp和Bq (p = 1，…，3,q = 1，…，3)。当压力从0增加到12 kPa时，气腔均匀拉长，在此过程中，驱动缆索始终处于张拉状态(图4(A))。从理论上讲，当连续型长度达到最大时，连续型机器人更容易受到外界干扰，实现弯曲变形。当腔内压力达到12 kPa时，气腔长度趋于稳定。然后，记录三个模块在关节中的弯曲角度和气腔的长度。其中，各模块的平均弯曲角度小于2.08°，仅为12 kPa时最大弯曲角度的7.06%，说明连续型机器人具有良好的独立伸长运动能力，如图4(B)所示。
图5. 支撑结构气腔的结构长度。(A)模块在不同弯曲角度下的气腔长度。(B)模块变形时的快照。研究者关注的是弯曲变形是否对伸长运动有影响，做了一个实验来证明这一说法。在本次实验中，测量了不同弯曲角度下的气腔长度，如图5所示。此处，用3kpa气体填充空腔时，最大弯曲角度小于30°，因此对应的结果为空白。长度的一致性可以表明该假设是有效的。例如，当向气腔内填充压力为3kpa的气体时，无论弯曲角度如何，结构长度约为53mm。
图6. 弯曲和伸长运动之间解耦的评估。(A)各模块的弯曲角度。(B)当关节变形为弯曲配置时气腔的结构长度。研究者进一步评估了机器人独立弯曲运动的能力。对气腔施加的压力分别调节为0、4、8、12 kPa。一旦结构长度稳定，压力保持恒定，拉伸的驱动缆索被用来使分段变形到其最大弯曲角度。然后，记录线段内各模块的弯曲角度和主干的长度。研究者发现在压力为12 kPa时，关节的第一模块的弯曲度仅为19.66±5.08°，是第二模块角度的55.08%，如图6(A)所示。这可能是由于模块安装在底座上，限制了其移动的灵活性。相比之下，该段内其他模块的弯曲角度大致相同。此外，研究者测量了相应的气腔长度，如图6(B)所示。这里，弯曲后的气腔长度折减小于2.99 mm，仅为弯曲前气腔最大伸长率的8.68%。与最大伸长率相比，这种弯曲变形时气腔的小缩短是可以接受的。
图7. 混合驱动连续型机器人的应用演示。这种机器人模式可以同时表现出伸长和弯曲运动模式。(A)-(C)通过组合运动模式，连续型机器人可以显示不同的最终轮廓，如I形，J形和S形构型。详细内容参照视频：
论 文 信 息
Title: Hybrid-Driven Continuum Robot With Decoupled Motion Patterns for Dexterous Manipulation
Authors: Jinbo Hu, Jie Zhang, Yuquan Zheng, Bo Wang, Jianing Wu, Xiaojun Wang, and Yunqiang Yang
Journal: IEEE Robotics and Automation Letters
DOI: 10.1109/LRA.2024.3427557
Link: https://doi.org/10.1109/LRA.2024.3427557
点击下方链接
了解更多资讯
