柔性连续型仿生机器人驱动机理与控制方法研究

Continuum robots are inspired by octopus arms and elephant trunks which have invertebrate, elastic structures, and are capable of changing their shapes to adapt to the unstructured environment. However, in comparison with conventional rigid mechanisms, the elastic structures reduce the loading capability and increase the complexity of shape sensing and close-loop control, which limit their applications. This project focuses on the design, modeling and control of a continuum robotic system with a hybrid, compliant and bio-inspired actuation mechanism.The screw theory based modeling method for such flexible robots will be presented. A federal Kalman filter will be used to detect the position and shape of a continuum robot. The path planning algorithm will be developed by using optimal theory with multiple nonlinear constraints. The mechanism analysis and close-loop control theory for continuum robots will be comprehensively studied. To validate the presented methods, an engineering prototype of a continuum robot will be further constructed and tested in unstructured environments for obstacle avoidance and grasping motions. The results of this work would provide theoretical supports to the development of continuum robots, enhance their dexterity, accuracy, loading capability and compactness for potential applications in industry, medical surgery, military, search and rescue fields.

连续型机器人采用与章鱼触手、象鼻等生物器官类似的"无脊椎"结构，可柔顺地改变自身形状以适应环境。但柔性机构的负载能力较弱，并导致形态检测与闭环控制的难度加大，制约了此类机器人的实用化。 本课题利用仿生学技术，以连续型器人为研究对象，提出一种新型柔顺并联混合驱动机构，研究其设计与综合原理；以旋量代数和卡尔曼滤波算法为理论方法，建立连续型机构的通用运动学模型和刚度模型，研究其位置形态估计方法；基于最优化理论研究连续型机器人的路径规划算法及非线性约束关联关系，建立连续型机器人机构优化和全局闭环控制理论体系。在理论研究的基础上，开发柔性连续型机器人物理样机验证平台，完成复杂环境下的柔顺避障和抓持操作。 本课题预期成果将为连续型机器人的设计研究提供理论和技术，突破此类机器人在灵活性、控制精度、负载能力和紧凑性之间的相互制约关系，对其在工业、医疗、军事和搜救等方面的工程实用化具有重要意义。

传统离散型机器人采用刚性结构，可以达到较高的定位精度，但是此类机器人在运动过程中缺乏柔顺性和灵活度，难以在复杂和未知环境下工作。柔性连续型仿生机器人能够动态地适应复杂的非结构性环境，具有安全的人机交互性等优势。连续型机器人可广泛应用于工业，军事，救援及微创手术等领域。.然而，相比与传统刚性机器人，连续型机器人柔性的结构导致其负载能力变差，性质和形态检测困难，控制精度难以保障。因此，本项目立足上述存在的问题，主要对柔性连续性机器人的通用建模理论与方法，机构系统理论设计与优化，全局位形反馈控制策略及其任务分解方法等进行了全面系统的研究。提出了一种基于人工气动肌肉和拉绳机构混合驱动的超冗余自由度机器人，解决了连续性机器人在灵活、精度、负载能力和紧凑性之间的相互制约关系。设计了一种主动可变刚度的绳驱动连续型机器人。建立了柔性连续型机构的理论分析框架体系，分析了绳驱动机器人存在的共性结构导致的干涉现象。提出了基于卡尔曼滤波器的连续型机器人末端位置和整体形状的实时测量与控制算法，给出了超冗余度连续型机器人的动态路径规划算法和控制稳定条件。为今后连续型机器人的设计和应用奠定了基础。.本项目在执行期间，共发表16篇高水平学术论文，其中9篇SCI期刊论文，5篇EI检索论文，获得授权专利3项。举办“软体驱动器与机器人技术论坛”一次。受邀发表学术会议报告5次，邀请外国专家来访7人次，出访国际交流3人次，已培养硕士生3名，优秀本科毕业生1名。