模块化软体绳驱动机器人的设计及变刚度控制研究

Soft cable-driven robot has the ability of continuous deformation, it driven by light cables directly, which is very easy to realize light weight design and flexible variable stiffness control, this kind of robot is especially suitable for the service robot arm of next generation. Aim to the problem of traditional soft robots is hard to build the exactly kinematic model. This project try to develop a kind of soft cabled-driven robot which has big elongation, contraction and torsion stiffness and small bending stiffness, also study the key problem of mechanism optimization design and modular modeling method of soft cable-driven robot. In addition, this project aim to solving the force closure problem of soft cable-driven robot and analysis its relationships between cable tension and stiffness. In order to increase the stiffness variation range of the cable-driven modular, this project will add the variable stiffness device into the cables for increase the controllability of the stiffness. Moreover this project try to break through the tension force distribution problem and stiffness-position synchronic control problem. To solve these problems this project present a new method which is try to divide the cables of the modular into two groups one is for stiffness control and another is for position control. The final objective of this project is to fundamentally solve the flexible variable stiffness control problem, increase the application possible on service robot of the soft cable-driven robot. Therefore, this project will not only push forward the study level of cable driven robot but also the study level of soft robot in our country.

软体绳驱动机器人具有连续变形的能力，其驱动力均通过轻质的绳子来传递，易于实现轻量化设计和柔顺的变刚度控制，特别适合应用于下一代的服务机器人臂.针对传统软体机器人无法实现准确的运动学模型的问题，本项目研究具有两自由度伸缩刚度大，扭转刚度小的软体的绳驱动机器人的关节模块优化设计和模块化建模方法, 探索软体绳驱动机器人的力封闭性问题，分析其张力和刚度的关系，并利用变刚度装置实现机构的刚度大范围可控，重点突破以刚度控制为目的的张力分配问题和刚度-位置同步控制问题，针对绳驱动机器人特有的冗余特性，提出了将绳索分组分别同时进行位置和刚度的控制，最终实现此类机器人的柔顺变刚度控制，提高其在服务机器人上的应用可行性，项目的研究不仅能够推进我国绳驱动机器人相关技术的发展，也能提高我国的软体机器人研究技术水平。

本项目以提高机器人柔顺性和安全性为目的，重点研究了软体绳驱动机器人关节模块的设计理论和控制方法，突破了软体绳驱动机器人关节模块的多项关键技术。通过融合并联机构的型综合和结构拓扑优化方法设计了4种不同类型的变刚度装置，其中基于菱形机构与弹簧的复合机构具有较好的变刚度性能，特别适用于绳驱动关节模块的刚度控制；应用凸分析理论，提出了基于最小正张成基的绳驱动机器人关节模块张力封闭性分析方法和力封闭性工作空间分析方法，基于李群、李代数理论建立了软体绳驱动机器人关节模块运动学及动力学模型及性能分析模型；通过对多种绳驱动机器人支撑材料展开研究，设计出了具有拉/压、扭转刚度大且弯曲刚度小的液压软管作为支撑结构，成功研制出了可实现连续变形的绳驱动软体机器人关节模块；提出了面向绳驱动关节刚度的张力分配算法及刚度测量方法，并通过对驱动绳索实施分组控制，创新提出了绳驱动关节模块的刚度-位置同步控制方法，实现了关节模块刚度和位置的同步控制；此外，项目还拓展了研究内容，开展了软体绳驱动机器人关节模块的精度提高方法研究，提出了关节模块的几何误差自标定方法和基于机器学习算法的非几何误差标定方法，提高了关节模块的定位精度；经过第三方测试，本项目所研发的软体绳驱动机器人关节模块的定位精度为±0.238mm。基于本项目的研究工作，共发表科研论文12篇，申报专利4项，其中发明专利3项，授权实用新型专利1项，项目培养博士研究生3名，硕士研究生2名，高级工程师2名。总之，本项目的研究成果不仅丰富了软体绳驱动变刚度机器人关节模块的设计理论与控制方法，也为软体绳驱动机器人臂的研发奠定了基础。