柔性机械臂研究现状概述

柔性机械臂研究现状概述

摘要：本文通过对柔性机械臂研究现状进行总结和概括，预测了未来柔性机械臂的发展趋势。

关键词：柔性机械臂

伴随着微电子技术的发展、机械设计制造水平的提高以及计算机科学技术的风起云涌，机器人技术也得到了长足的发展，功能完善的机械臂有着建模方便、容易控制、精确度高等诸多优点[1]，越来越多的存在于工业生产和人类生活的各个领域[2]，工业机械臂的应用在降低工人劳动强度同时也提升了生产效率，甚至在一定程度上改变了人类对世界的认识，极大地促进了人类主观能动性的发挥。

工业机械臂作为实现工业自动化生产的关键工具，广泛应用在化工石油、航天航空、汽车制造、精密装配、核检测等各个领域，发挥了及其重要的作用。然而，对于一些空间拥挤、结构复杂、障碍密布的非规划性工作区域，传统的机械臂由于其自身的低冗余度、刚性结构适应性差等原因，往往难以有效地发挥自身优势。相对而言，柔性机械臂由于自身冗余度高、适应性好，在解决上述问题中就显得越来越重要[3]。本文就柔性机械臂的研究现状进行论述分析，以便为其后续的发展提供一定的参考。

1.柔性机械臂国外研究现状

德国费斯托（Festo）公司受人手灵感的启发，研制了一款精巧的仿生机械手[4]，该机械手以空气动力学为基础，用气动波纹管为载体单元进行操控，且在拇指和食指连接处加一个旋转模块，使其实现12个自由度的移动，能够完成通常的抓握按压等基本的动作，以实现替代人手的目的。日本京都大学设计了仿蛇形的柔性机器人[5]，研究团队在该柔性机器人身上配备了36个角度传感器，能够对其运动形状进行准确的控制，使其能够在崎岖地形和狭窄空间进行运动，可以实现搜索救援和侦查等功能。美国克莱姆森大学的Walker 团队对柔性机械臂领域的研究较为深入，在机械臂的物理结构建模、优化设计以及精确姿态控制等方

面取得了一定的成果[6]，其设计的象鼻机器人OctArm柔性机械臂可以实现890N 和 250N 的纵/横向负载能力以及空间连续弯曲。

1.柔性机械臂国内研究现状

相对国外而言，国内对柔性机械臂的研究起步相对较晚，然而我国的众多高校和科研院所紧跟前沿，取得了一些列的成果：华南理工大学的研究团队提出一种基于绳操纵的串行机械手，可以实现各关节运动的完全解耦，同时解决了绳操作中绳索操纵中的单向性问题。上海交通大学的研究团队设计了一个整体由硅胶材料制作的柔性机械臂，该柔性机械臂不含有刚性结构件，外部设备牵引嵌在柔性臂中的绳索，使柔性机械臂实现弯曲和偏转运动[7]。此外，上海交通大学的王贺升等在2017年对绳索驱动的柔性机械臂在建模、控制等问题进行了研究，将开尔文模型和几何精确杆理论相结合，用应变向量和曲率向量来描述法向应变、扭转效应以及弯曲效应，有效地解决了软性材料的法向应变和粘性问题[8]。中国科学技术大学的研究团队提出了一种基于蜂窝气动网络(简称HPN)结构的柔性机械臂[9]，并且完成了该结构的设计、仿真和实验验证工作，最终通过实验验证了结构的柔性和承载能力，证明该结构在实现柔性和承载能力的平衡方面具有显著的优势，同时也能够克服气动网络结构在强度方面的缺陷。

1.展望

随着人们在工业生产、设备维护、探测救灾、医疗健康等诸多方面对工业自动化依赖程度的加强，柔性机械臂的重要程度愈加凸显[10]，本文主要对柔性机械臂的国内外发展现状进行了系统的阐述，同时预测柔性机械臂的发展趋势如下：

（1）柔性机械臂属于超冗余机械臂，目前的控制算法多为智能控制算法，对计算机的资源占有较大且效果较差，后期研发出能够保证运动控制精度且具有较强鲁棒性的控制算法将会是其研究趋势之一。

（2）柔性机械臂的形状检测是高精度控制的前提，目前其检测方式较多且缺乏通用的传感器，如何进行多种检测方法的进行优势互补、精度互修，提高其形状检测精度，是未来柔性机械臂领域的形状检测发展趋势。

参考文献：

[1] 赵强，岳永恒. 仿生连续体机器人的研究现状和展望[J]. 机械设计，2009，26(8)： 1-6.

[2] Walker I D, Dawson D M, Flash T, et al. Continuum robot arms inspired by cephalopods[C]//Unmanned Ground Vehicle Technology VII. International Society for Optics and Photonics, 2005, 5804: 303-314.

[3] Tonapi M, Godage I, Vijaykumar A, et al. A novel continuum robotic cable aimed at applications in space[J]. Advanced Robotics, 2015, 29(13): 861-875.

[4] Guan Q, Sun J, Liu Y, et al. Novel Bending and Helical Extensile/Contractile Pneumatic Artificial Muscles Inspired by Elephant Trunk[J]. Soft Robotics, 2020.

[5] Matsuno F, Sato H. Trajectory tracking control of snake robots based on dynamic model[C]//Proceedings of the 2005 IEEE International Conference on Robotics and Automation. IEEE, 2005: 3029-3034.

[6] Mcmahan W, Jones B A, Walker I D. Design and Implementation of

a Multi-Section Continuum Robot: Air-Octor[C]//IEEE/RSJ International Conference on Intelligent

Robots and Systems. Edmonton, Alta., Canada, 2005: 2578-2585.

[7] 俞晓瑾. 柔性机械臂的运动学和动力学建模及视觉伺服控制[D]. 上海: 上海交通大学, 2013.

[8] Wang H, Wang C, Chen W, et al. Three-dimensional dynamics for cable-driven soft

manipulator[J]. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. 2017,

22(1): 18-28.