【摘 要】
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近年来,随着科技的快速发展,作为多学科交叉共融的机器人学科也得到了迅猛的发展。在这其中,由于人们对机器人安全性、灵活性等需求不断增强,基于仿生原理的连续型机器人逐渐吸引了越来越多的关注。相比于传统的刚性机器人,连续型机器人不具有离散关节和刚性连杆,采用与章鱼触角、象鼻等生物器官类似的柔顺结构,十分适合在狭小复杂等环境中进行探测、抓持等操作。对于连续型机器人来讲,高安全性与灵活性是其最突出的两大优势
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目“仿海葵连续型臂群创新设计及其面向空间非合作目标的捕获机理研究”、“变物理阻尼柔顺关节机构设计与驱动控制研究”、“高端装备机构理论与技术基础”（No.51875393,51605329,51721003）；
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近年来,随着科技的快速发展,作为多学科交叉共融的机器人学科也得到了迅猛的发展。在这其中,由于人们对机器人安全性、灵活性等需求不断增强,基于仿生原理的连续型机器人逐渐吸引了越来越多的关注。相比于传统的刚性机器人,连续型机器人不具有离散关节和刚性连杆,采用与章鱼触角、象鼻等生物器官类似的柔顺结构,十分适合在狭小复杂等环境中进行探测、抓持等操作。对于连续型机器人来讲,高安全性与灵活性是其最突出的两大优势。其中,高安全性可以使得连续型机器人更好地进行人机交互。高灵活性使得连续型机器人可以代替传统刚性机器人在狭小复杂环境中执行操作,提高机器人的环境适应能力。但是,由于连续型机器人独特的柔顺结构与复杂的运动学映射关系,目前却很少有针对其灵活性展开分析的研究。因此,本文针对连续型机器人灵活性领域的研究欠缺,开发了一款采用模块化关节设计的连续型机器人,而后基于运动学模型与雅克比矩阵,从可操作性与可定向性两个方面,对连续型机器人的局部与全域灵活性展开了深入的研究,并利用灵活性来指导连续型机器人的关节长度设计。对于灵活性中的可操作性方面,基于雅克比矩阵的条件数,通过可操作性指标的定义与计算,对连续型机器人的局部与全域可操作性展开了深入分析,并详细探究了结构设计中的关节长度对可操作性的影响。而后,引入粒子群仿生优化算法,利用可操作性来优化机器人的关节长度设计,使机器人获得全域最优可操作性。最后,提出灵敏度指标来对采用最优关节长度设计的连续型机器人进行直观的可操作性仿真与实验验证,并对灵敏度与可操作性的内在联系进行了探究,即可操作性高的末端点其各向灵敏度分布亦较为均匀。对于灵活性中的可定向性方面,结合实际操作需求,提出可达比率与可达角度指标,用于综合反映任务空间内的可定向性,并对不同关节长度对两个可定向性指标的影响侧重进行了对比分析。而后,基于改进的粒子群算法,对使得综合可定向性最优的关节长度进行了优化。最后,仿真和实验结果验证了采用优化后的关节长度设计连续型机器人可以有效提升任务空间内的可定向性。本文基于可操作性与可定向性两个方面,对连续型机器人灵活性的定量计算、直观分析进行了深入的研究,并巧妙地开展了灵活性的实验验证。这对于利用灵活性指导连续型机器人的结构设计以及相关理论的成熟发展打下了坚实的基础。
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