套索传动柔软细长机器人软操作技术研究

在机电装备狭小空间检测、灾难废墟内部生命搜寻、及其它诸多狭小空间操作领域，各种细长、柔软机器人具有无可比拟的优势和迫切需求。在前一个基金项目针对套索传动细长机器人研究的基础上，为提高搜救、检测的安全性，开展其软操作技术研究。包括：套索传动细长机器人末端执行器的柔顺化结构设计、及末端执行器/传感器/信息传递一体化设计技术研究；为提高操作控制的灵敏性，开展套索传动的力和位移动态传递特性研究；为提高套索驱动系统的运动精度，开展套索驱动端自适应张紧技术研究；为提高套索传动特性建模精度，开展套索传动细长机器人身体构型设计、及实时身体形态测量与重构技术研究；为进一步提高末端执行器的软操作性能，通过构造套索传动非线性的自适应逆函数，开展末端执行器的力控制和力-位移协调控制技术研究。为验证理论研究的成果，将通过构建套索传动实验装置和模拟环境，进行实验研究。

柔软细长机器人在机电装备狭小空间检测、灾难废墟内部生命搜寻、以及其它狭小空间操作领域具有广阔的应用前景。针对该需求，设计了基于套索驱动的细长机器人柔顺性末端执行器，包括夹持关节、回转关节和弯曲关节的柔顺化结构设计。基于材料力学和有限元分析分析结果，在受力敏感的柔性铰链处粘贴电阻应变片，在驱动端使用超磁致伸缩振动发生器，实现柔顺性末端执行器的夹持力和位置信息的实时测量与传递。结合LuGre动态摩擦模型建立了套索传动系统的力和位移动态传递模型，并设计了套索传动特性实验平台，通过实验验证了模型的准确性，并分析了传动效率的影响因素。针对不同的应用需求，研究多种形式的套索驱动细长柔软机器人方案，包括细长搜救机器人、细长传动比例映射控制机械手、可预变形骨节身体细长机器人、人体肠胃柔性细长扩张器等。进行了套索模型参数辨识以及三维重构技术的相关研究，以实现细长柔软机器人的变形形态测量。设计套索传动系统自适应预紧机构，分析了系统预紧力对套索传递特性的影响。基于末端执行器的力反馈和位置反馈以及套索系统动态传递模型，进行阻抗控制、主动柔顺操作控制、力和位移的混合控制等不同软操作控制研究，实现力和位移精密协调控制。