仿章鱼触手基本运动模式的软体机械臂及运动机理研究

The soft robots become more important because the work environment and tasks of robot become more complex. Theoretically an infinite number of degrees of freedom is the significant feature of a soft robot, which can improve the kinematics and dynamics performances. But at the same time, it makes the traditional mode of motion and control methods are difficult to meet their performance requirements. By the stereotype movement, octopus greatly reduce the infinite number of degrees of freedom of its arm to a several degrees of freedom needed to actually control the movement. This research application intends to focus on how the octopus arm form the stereotype movement and control its reference plane. With test analysis methods, the places that muscles move are determined. The relationships between movements of muscle groups and the deformation of arm are researched. A module that has the functions of support and deformation as to octopus arm is developed. The method that mimics the configuration curve of the octopus arm movements, and reproduce the stereotype movement of octopus arm, achieved by change the deformations of module that construct the soft manipulators developed. This research will provide a basis of the theory and application to the future research and development of software robots.

机器人工作环境和任务的日趋复杂化引发了人们对软体机器人的关注。理论上无限多自由度是软体机器人所具有的显著特征，在改善其运动学和动力学特性的同时，却使传统运动方式和控制方法难以满足其性能要求。章鱼采用"基本运动模式"的策略，大大降低了其无限多自由度触手运动中实际所需控制的自由度数。本课题拟重点针对章鱼触手形成"基本运动模式"和控制其运动基准平面的现象展开研究，研究在"基本运动模式"运动中章鱼触手各部分的肌肉群依次产生驱动作用的规律和机理，探讨运动中产生驱动作用的肌肉群在触手上位置的确定方法，研究各位置上通过肌肉群的协调运动产生指定触手构型的作用机理；研制模仿某一段章鱼触手支撑和可控变形功能的单元模块，探讨通过改变组成软体机械臂的单元模块的形状、摹拟运动中章鱼触手的各构型的方法，再现章鱼触手"基本运动模式"的运动方式。本课题的研究工作将为软体机器人未来的研究和发展提供理论和应用基础。

章鱼触手通过“基本运动模式”的运动方式，可以降低其触手运动时所需要的控制复杂度。本课题对章鱼触手完成“基本运动模式”动作的过程进行了拍摄，利用高斯混合模型，成功地对章鱼触手从松弛状态快速形成弯曲状态这一运动过程进行了分解，分解得到的子运动模块完全可以反映鱼触手运动的宏观特征。设计了一种由多组运动单元依次联接构成的仿章鱼触手柔性机械臂，该运动单元由驱动线、上下圆盘、柔性杆等部分组成，由电机带动线进行驱动。对各运动单元产生扭转和弯曲致动机理进行了分析。通过将柔性机械臂的关节设计成对称的结构、以及将关节的弯曲运动限制在某一平面内完成，可以简单化对关节弯曲与扭转运动致动机理的分析，并使得关节易于通过由电机带动线进行驱动的方式实现弯曲与扭转运动。建立了数学模型对柔性机械臂进行了正、逆运动学分析，对柔性机械臂运动过程中各关节的耦合运动进行了解耦分析。建立了仿章鱼触手柔性机械臂关节的扭转力学模型，对该关节在扭转运动中的受力情况进行了分析。研制了仿章鱼触手柔性机械臂的实验样机，通过分析实验数据对理论模型和本体结构优化进行改进。总结出一种调整柔性机械臂整体构型与姿态的方法和装置，该方法通过调节柔性机械臂的首端姿态角和首端点位置，配合柔性机械臂各关节末端主动弯曲和末端姿态角的改变，以降低柔性机械臂通过外部环境（如弯曲通道）时其形态与预先规划的路径之间的位置误差。