柔性機構在機器人領域的研究應用現(xiàn)狀

梁晶晶 李瑞琴 李 清 寧峰平 張啟升

（中北大學機械工程學院 山西·太原 030051）

隨著工業(yè)和醫(yī)療等領域需求的不斷提高，機器人需要具有優(yōu)良的環(huán)境適應性、超強的安全性，以及良好的人機互動性，需要應用柔性機構破除傳統(tǒng)機器人關節(jié)的僵硬和材料的剛度，朝著更輕、更軟、更協(xié)調的方向發(fā)展。在這樣的背景下，“柔性機器人”應對更高的需求不斷發(fā)展起來。通過柔軟材料的利用，驅動方式的創(chuàng)新，在先進制造業(yè)中可以發(fā)揮出更大的價值。

1 柔性機構的研究現(xiàn)狀

隨著工業(yè)的發(fā)展，尤其是在精微領域，對機構的精度不斷提出更高的要求，對于剛性機構在發(fā)生彈性變形過程中產生的系統(tǒng)誤差已經無法滿足更高的精度要求。隨著各國學者對柔性機構的研究，柔性機構中免裝配、無摩擦、可通過變形來傳遞運動和力、精度較高等優(yōu)勢性能不斷得到驗證。當今，新型材料、新的制造工藝和技術不斷出現(xiàn)，在與機構學、結構力學以及計算機技術的相互交叉研究領域內，利用柔性變形的微納與仿生機器人已逐漸成為機器人學領域的研究熱點。本文根據(jù)文獻資料，對柔性機構在仿生機器人及康復機器人領域的構型、機構性能、分析方法等方面的主要研究成果進行綜述，以明確研究熱點和未來發(fā)展方向。

2 柔性仿生機器人

柔性機構因具有彈性、通過變形可儲存和釋放能量，并且免裝配、無摩擦，這種特性可以應用來模仿生物的柔性，如關節(jié)、腿部、翅膀等，實現(xiàn)相應的運動及動力，從而達到仿生的效果，目前已是機器人領域的一個主要研究方向。

國內對于柔性仿生機器人的研究有北京航空航天大學的王田苗、孟偲等通過分析壁虎身體結構及腿部自由度，設計并研制了柔性連桿的人造壁虎腳掌吸附材料的足式仿壁虎機器人結構，如圖7所示。分析了其運動原理，為了實現(xiàn)仿壁虎的柔性運動，采用柔性連桿改進并簡化了機構。設計對角線運動步態(tài)實現(xiàn)機器人的直線行走以及轉彎動作。通過對機構自由度的計算，分析機構的可行性，并結合靜力學分析對柔性桿的選擇進行討論。柔性桿件的應用能在一定范圍內實現(xiàn)仿生柔性運動，但由于受材料強度等因素的影響，在更大范圍的柔性運動要求下會受到一定的限制。

西北工業(yè)大學的李巖，葛文杰等根據(jù)仿生學結合袋鼠的生物結構特征，建立了柔性腳仿袋鼠跳躍機器人的剛柔混合模型。利用柔性機構可連續(xù)光滑變形及質量輕等特點，且易于控制，將其應用于仿生跳躍機器人領域，實現(xiàn)跳躍機器人在不同跳躍速度下的腳部輪廓變形。

圖1：仿壁虎機器人

宗光華、賈明等設計研究了一種應用柔性鉸鏈連接剛性桿的撲翼機構，利用柔性鉸鏈的被動變形實現(xiàn)翅膀的翻轉運動。于仕澤等通過分析象鼻內部結構，并以此為仿生設計對象，設計了一種仿生柔性機械臂，如圖8所示。柔性機械臂由8個柔性關節(jié)單元組成。柔性單元為三軸并聯(lián)平臺，由3個子鏈并聯(lián)連接靜平臺與動平臺。單個子鏈分別由1個萬向鉸鏈、輸出軸為螺紋桿的電機和與下一個平臺連接的旋轉螺母3部分組成。柔性關節(jié)可實現(xiàn)縱向收縮，也可實現(xiàn)靈活的萬向彎曲，下方部分可以將輸出螺紋桿進入到上方部分，完成機構運動，對航天作業(yè)需求有非常強的適應性。

圖2：蛇形臂機器人

魏東文等（可變結構柔性機械臂）以章魚觸手的縱向和橫向肌肉為靈感，提出了一種柔性生物張拉整體機械手，以模擬章魚觸手的收縮行為，實現(xiàn)各節(jié)段的可變運動模式。機械手以彈性彈簧為骨干，由四根纜索驅動，每段有一個可變結構機構，實現(xiàn)了對每段的獨立控制，獨立控制各節(jié)段的彎曲、收縮運動和變結構運動。該機械臂具有各部分自由度可控的特點，擴展了其環(huán)境適應性和操作能力。王姝歆等通過分析昆蟲胸翼結構，提出了一種由雙晶片壓電驅動器、柔性雙搖桿機構和仿生翼組成的撲翼系統(tǒng)。討論了柔性四桿機構的運動學和靜力學問題，對確定昆蟲翅膀的運動有一定的指導意義。韓國建國大學的Quoc VietNguyen等研究了仿昆蟲撲翼微型飛行器系統(tǒng)，應用曲柄連桿滑塊機構與模擬甲蟲后翅的翅形和主脈結構相結合，并在翼根處安裝柔性鉸鏈，使機翼在撲翼運動過程中由于氣動和慣性力的合力而被動旋轉，并對撲動性能進行了試驗，提出了系統(tǒng)的力測量方法。哈佛大學的R.J.Wood以雙翅目昆蟲的形態(tài)為基礎，設計、制作和分析了一種3cm翼展的微型飛行器，具有類似雙翅類昆蟲的特性，提出了一種由一個驅動自由度和兩個被動自由度組成的新型機翼傳動系統(tǒng)，是一個輸入端有一個移動關節(jié)的四桿。日本法政大學的Masahiro Masuda等提出了一種適應在廢墟中移動的多腿機器人的柔性機構，這種柔性機構模擬蜈蚣爬行，身體由分別含有2條腿的9個單元組成，單元之間用橡膠連接以保證柔性，每個關節(jié)可以被動地適應顛簸，腿部采用了一個拱形結構，以避免障礙和保持身體的剛性，可以避開障礙也可傳播運動，每個單元通過兩個伺服電機驅動分別進行垂直運動和前進后退。諾丁漢制造技術大學的Xin Dong，Mark Raffles等設計了一種蛇臂機器人，如圖8所示該機器人具有獨特的雙驅動結構，在任意構型下都能保持索的張力。此外，該設計使柔性接頭結構具有很大的靈活性(彎曲能力)和適當?shù)膭偠?。在此基礎上，提出了一種新的運動學模型，該模型可以顯著地簡化纜索驅動系統(tǒng)的運動學和蛇形臂機器人的雅可比矩陣。該蛇臂機器人具有柔性連續(xù)結構，可用于進入許多領域的受限場所，如微創(chuàng)手術和工業(yè)裝配。

3 康復機器人

隨著人口老齡化趨勢越來越明顯，康復機器人市場進一步擴大，對于康復機器人的技術研究也在進一步發(fā)展。近年來，康復機器人針對不同患者不同部位的康復運動進行功能復現(xiàn)，基于仿生原理進行設計，應用柔性機構，結合人體工程學，輔助患者進行康復運動訓練。

孫黎霞等設計了一種繩驅動的柔性仿人頭頸并聯(lián)機器人，3根繩索和1個壓縮彈簧連接著靜、動平臺。壓縮彈簧和繩索分別模擬人的頸椎和頸部肌肉，起到支撐和驅動控制作用。進行了逆運動學分析和繩索驅動力優(yōu)化設計。該研究成果有助于深入研究柔性脊柱的并聯(lián)機構。為復現(xiàn)人頭頸的運動提供重要參考，同時可促進頸部康復機器人和繩索驅動技術的發(fā)展。上海理工大學孟巧玲等，在分析半圓弧梁型柔性鉸鏈剛度的基礎上，設計了半圓弧梁鉸鏈串聯(lián)式仿生外骨骼機械手，如圖9所示，通過電機驅動繩索實現(xiàn)手指彎曲，當手指需要伸展時，控制電機反轉放松繩索，利用鉸鏈在屈曲過程中的儲能來幫助患者的手恢復伸展狀態(tài)，并根據(jù)齊次坐標變換建立機械手的運動學模型，研究繩驅下的運動特性，通過實驗分析和仿真分析，外骨骼機械手能夠輸出滿足日常生活所需的抓握力，可提供正常的關節(jié)活動，可實現(xiàn)對手功能障礙患者進行手部康復訓練與日常活動。針對目前截肢患者對仿生假手的需求越來越大，張曉華等提出了一種具有靈活手指的靈巧機械手。機械手具有兩個自由度的彈簧柔性手指，其中一個自由度是正的，另一個是被動的，由彈簧實現(xiàn)。機械手可以抵抗沖擊并適應物體的形狀，可以作為末端執(zhí)行器應用在各種環(huán)境中。應用柔性鉸鏈替代剛性關節(jié)可以在一定程度上實現(xiàn)康復運動功能，但是柔性鉸鏈通過變形實現(xiàn)彎曲，其角度是有限的，無法實現(xiàn)滿足大范圍運動需求，因此有一定的局限性。

圖3：仿生柔性機械臂的整體結構

圖4：仿生外骨骼機械手手指結構

龐在祥等提出了一種仿生柔性腕關節(jié)并聯(lián)機構，如圖10所示，它是一種繩索驅動、壓縮彈簧支撐的混合機構。為了實現(xiàn)腕部機構的運動，采用并聯(lián)結構支撐移動平臺，由一根電纜控制，起到腕部肌肉的作用。該機構的設計為柔性關節(jié)并聯(lián)機構復制人類手腕運動提供了新的思路，在一定程度上促進了康復機器人和繩驅動技術的發(fā)展。

王才東研制了一種踝關節(jié)輔助康復機器人，該機器人由上平臺、下平臺、背屈/足屈驅動系統(tǒng)、內翻/外翻驅動系統(tǒng)及其連接部分組成。根據(jù)SPS機構，上平臺通過球銷副和兩個驅動分支鏈與下平臺連接。機器人有兩個自由度，但上面的平臺可以實現(xiàn)三種運動。為了實現(xiàn)踝關節(jié)輔助康復，患者在上平臺上的踝關節(jié)進行仿生運動。該機器人以一個中心球銷對作為主要支撐來模擬踝關節(jié)的運動；驅動系統(tǒng)采用剛柔混合結構，背屈/足底屈運動和內翻/外翻運動是分離的。這些結構特征可以避免對患者的繼發(fā)性損害。

圖5：腕部康復柔性并聯(lián)機構

S.Bhavani等提出了一種繩驅動的柔性仿生手臂，仿生手臂通過收集來自截肢肌肉的信號來運作。仿生手臂由3d打印的手部結構、用于監(jiān)測肌肉活動的myoware傳感器，一個arduino處理器，六個馬達和一個可伸縮的手套組成。該柔性仿生手臂解決了假肢使用費用高、佩帶重的問題，能夠幫助患者有效地抓取各種物體。

4 結論

柔性機構在并聯(lián)機器人、仿生機器人、康復機器人等領域得到了廣泛應用。柔性機器人是未來機器人發(fā)展的重要趨勢，針對柔性機構設計理論中存在的精度問題和結構拓撲法存在參數(shù)較多的問題，在理論設計上通過構型分析與尺度綜合，研究柔性機構集成化的優(yōu)化設計方法，實現(xiàn)柔性結構簡化和輕量化設計，并通過對柔性鉸鏈的結構形式和材料方面設計大行程柔性鉸鏈，解決柔性鉸鏈運動范圍受限的影響，擴大柔性機構應用范圍。新型柔性機構不斷涌現(xiàn)，柔性機構應用不斷擴展，日益增加的應用需求同時也在導引柔性機構設計理論及方法的快速發(fā)展，未來柔性機器人通過對新型軟材料的應用，以及創(chuàng)新的驅動方式，從適應性、安全性、互動性等多角度出發(fā)，會很大程度上改善柔性機器人的性能。