一種面向航天需求的仿生柔性機(jī)械臂的設(shè)計

于仕澤，王周義，戴振東，王炳誠，谷雨，宗衛(wèi)佳

(南京航空航天大學(xué) 航天學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

近年來，隨著航天活動的不斷增加，對于航天任務(wù)的要求也不斷提高。針對航天器內(nèi)狹小空間的操作任務(wù)需求不斷增大，航天員及傳統(tǒng)機(jī)械臂在狹小空間操作難度大，且效率低、安全性較差等問題，迫切需要一種面向航天需求的柔性機(jī)械臂。

柔性機(jī)械臂具有超冗余自由度、操作空間限制少等諸多優(yōu)良的特性，得到越來越多研究學(xué)者的關(guān)注，并被廣泛應(yīng)用于火災(zāi)救援、核電站、廢墟[1]等狹小空間的探測以及醫(yī)療領(lǐng)域上人體口腔、食道內(nèi)部的檢測。其發(fā)展歷史可以追溯到20世紀(jì)60年代蛇形機(jī)器人的問世，至今發(fā)展歷史已達(dá)半個多世紀(jì)。柔性機(jī)器人可分為蛇形機(jī)器人與連續(xù)機(jī)器人[2]。蛇形機(jī)器人較長，例如OC robotics研制的蛇形機(jī)器人[3]，長度1200mm，直徑100mm，每一段由電機(jī)拖動驅(qū)動鋼絲線實現(xiàn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動。

連續(xù)機(jī)器人的概念源自于哺乳動物的“脊柱”這個詞。哺乳動物的脊柱近似可以看作是一個具有許多萬向鉸鏈連接的超冗余結(jié)構(gòu)體。此概念啟發(fā)了許多研究學(xué)者，目前世界上主要利用彈性體、氣動肌肉或記憶合金材料作為連續(xù)機(jī)器人的“脊柱體”。彈性體“脊柱體”主要利用驅(qū)動線驅(qū)動，利用彈性體豐富自由度完成復(fù)雜動作，例如2013年香港中文大學(xué)Z. Li 提出的仿生線驅(qū)柔性機(jī)器人[4]，直徑達(dá)20mm。氣動肌肉組成的柔性機(jī)械臂主要以2014年德國festo公司提出的氣動象鼻機(jī)器人[5]為代表，其長度達(dá)850mm，最大直徑達(dá)到130mm。2012年LASCHI等人提出一款由記憶合金SMA組成的柔性機(jī)器人[6]，這款機(jī)器人直徑在30mm～35mm之間，可完成直徑為63mm的圓弧彎曲。

本文提出一種基于仿象鼻結(jié)構(gòu)的柔性機(jī)械臂SY-Biotrunk。該柔性機(jī)械臂由8個柔性關(guān)節(jié)連接，單個關(guān)節(jié)具有3個自由度。驅(qū)動模式采用電機(jī)螺紋配合驅(qū)動。這種設(shè)計具備諸多優(yōu)點：1) 機(jī)械臂靈活性較強，并且關(guān)節(jié)拓展性較強，可根據(jù)實際情況搭接更多關(guān)節(jié)； 2) 結(jié)構(gòu)剛度較高，關(guān)節(jié)之間采用螺紋桿連接，相比于彈性體，剛性螺紋桿可承受更大載荷；3) 控制精度較高。每個部分的位置姿態(tài)由3個并聯(lián)電機(jī)輸入決定，并聯(lián)平臺具有較高的控制精度；4) 機(jī)器人整體安全性較強，由于這種柔性機(jī)械臂的連接方式為螺紋桿與內(nèi)螺紋連接，在遭遇斷電、信號中斷等因素時可以保持機(jī)械臂姿態(tài)不發(fā)生變化。

1 仿生柔性機(jī)械臂SY-Biotrunk的設(shè)計

象鼻是一個萬用器官，不僅可以用來取食、喝水，還可以用來社交，并具備非常敏銳的嗅覺，其功能離不開象鼻內(nèi)部特殊的結(jié)構(gòu)組成。象鼻內(nèi)部超過15萬組肌肉單元[7]里面卻沒有鼻骨。象鼻內(nèi)部的肌肉分為縱肌與橫肌，縱肌縱向排列在象鼻內(nèi)部，控制象鼻向四周彎曲。而橫肌主要分布在象鼻2個鼻腔附近，用來改變鼻腔的內(nèi)部空間，象鼻正是運用橫肌得以完成吸水、噴水[8]。

從象鼻內(nèi)部結(jié)構(gòu)與運動特點可以得知，象鼻之所以擁有大自然獨一無二的靈活性，主要取決于內(nèi)部豐富的橫肌、縱肌分布。面向具體的航天避障、擦拭與檢測等任務(wù)，以象鼻內(nèi)部結(jié)構(gòu)為仿生設(shè)計對象，設(shè)計一種仿生柔性機(jī)械臂。

柔性機(jī)械臂的關(guān)節(jié)采用三軸并聯(lián)平臺的方式設(shè)計。該關(guān)節(jié)可實現(xiàn)縱向收縮，也可實現(xiàn)靈活的萬向彎曲，使象鼻內(nèi)部的橫肌、縱肌功能得以實現(xiàn)。將若干柔性關(guān)節(jié)單元交錯連接，最終設(shè)計出仿生柔性機(jī)械臂如圖1所示。

圖1 機(jī)器人設(shè)計的仿生原理

1) SY-Biotrunk的設(shè)計參數(shù)

本文設(shè)計的仿生柔性機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，機(jī)身材料為硬鋁合金。整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

表1 SY-Biotrunk結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2 SY-Biotrunk整體結(jié)構(gòu)

如圖2所示，柔性機(jī)械臂SY-Biotrunk由8個柔性關(guān)節(jié)單元組成。單個柔性單元為三軸并聯(lián)平臺，由3個子鏈將上下2個平臺(靜平臺與動平臺)并聯(lián)所組成。單個子鏈分別由1個萬向鉸鏈(2個自由度)、輸出軸為螺紋桿的電機(jī)和與下一個平臺連接的旋轉(zhuǎn)螺母3部分組成。不難得到，單個子鏈的自由度數(shù)量是5。上下部分采用交錯相位式連接，相鄰部分相位差為60。下方部分可以將輸出螺紋桿進(jìn)入到上方部分，完成機(jī)構(gòu)運動。這種串聯(lián)方式可以有效地利用軸向空間，相比于活塞式配合模式，可以使用較少的軸向空間完成相同的轉(zhuǎn)動角度。根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)的規(guī)劃，可以確保在一定角度的旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)相鄰部分不發(fā)生機(jī)械干涉。交錯式相位連接可以使得整體柔性機(jī)械臂在軸向每隔60均有螺紋桿支撐連接，并采用同相位的連接方式，相鄰連接螺桿相位差為120。不難發(fā)現(xiàn)具有交錯式連接方式的柔性機(jī)械臂在各個方向抵抗彎矩的能力更為均衡。柔性機(jī)械臂每個部分轉(zhuǎn)動極限(圖3) 為53.3，與相近尺寸類型的柔性機(jī)械臂相比，具有較大的轉(zhuǎn)動性能優(yōu)勢。

柔性機(jī)械臂往往需要在一些環(huán)境復(fù)雜的工作空間操作作業(yè)。對于障礙物較多的環(huán)境，SY-Biotrunk具有良好的環(huán)境適應(yīng)性。，這種機(jī)械臂轉(zhuǎn)彎直徑僅為216.3mm，并且這種仿生柔性機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)具備良好的拓展性，可根據(jù)實際的環(huán)境情況需要增加更多的串聯(lián)部分，可充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)的靈活性能。

圖3 SY-Biotrunk轉(zhuǎn)動性能

2) 柔性機(jī)械臂的運動學(xué)分析

對SY-Biotrunk仿生柔性機(jī)械臂的運動學(xué)分析，首先對柔性關(guān)節(jié)單元建模分析。以定平臺中心建立坐標(biāo)系，描述動平臺歐拉角姿態(tài)變換，進(jìn)一步求三軸的空間矢量,如圖4、圖5所示。

圖4 支鏈設(shè)計示意圖

圖5 單個部分結(jié)構(gòu)示意圖

(1)

(2)

(3)

求得連桿矢量為：

(4)

根據(jù)單鏈約束關(guān)系，求得伴隨運動關(guān)系：

(5)

當(dāng)單個平臺繞K軸旋轉(zhuǎn)θ，其中K=kxi+kyj，可以得到：

(6)

其中:Vsθ=1-cosθ；sθ=sinθ；cθ=cosθ。

因此，當(dāng)柔性機(jī)械臂完成類似彈性體連續(xù)曲率彎曲時，運動學(xué)轉(zhuǎn)換矩陣為：

(7)

工作空間是機(jī)械臂靈活性能的重要屬性。并聯(lián)機(jī)器人學(xué)中，操作空間一般分為可達(dá)位置空間、靈活位置空間等。本文將對所提出的仿生柔性機(jī)械臂可達(dá)位置空間進(jìn)行討論。

對于柔性關(guān)節(jié)單元采用基于Matlab的仿真分析方法，將柔性機(jī)械臂在Matlab-simechanics建立數(shù)學(xué)模型，在軟件工作空間記錄運動軌跡并描繪出操作空間三維圖形。仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 柔性關(guān)節(jié)工作空間

2 面向航天避障任務(wù)的操作實驗

前文提到，在航天環(huán)境內(nèi)，存在諸多重要的而航天員不易進(jìn)入的狹小環(huán)境?；谒O(shè)計的仿生柔性機(jī)械臂功能，提出幾種具體航天任務(wù)的路徑規(guī)劃，并完成在模擬太空環(huán)境中的操作實驗。

為滿足航天器內(nèi)狹小空間的操作任務(wù)，在微重力實驗平臺進(jìn)行航天器空間障礙物的模擬搭建。通過開環(huán)控制機(jī)械臂穿越障礙物，以此驗證所設(shè)計的柔性機(jī)械臂具備在狹小空間內(nèi)操作作業(yè)的機(jī)械性能。

根據(jù)有關(guān)柔性機(jī)械臂機(jī)械性能相關(guān)參數(shù)以及避障策略的內(nèi)容，對SY-Biotrunk進(jìn)行避障實驗(圖7) 。從圖7中可以看到柔性機(jī)械臂在有限空間(44cm×33cm)內(nèi)完成體積壓縮并獲取足夠操作空間。

實驗過程如下：首先柔性機(jī)械臂調(diào)整末端姿態(tài)適應(yīng)待進(jìn)入空間的姿態(tài)；之后柔性機(jī)械臂開始釋放被壓縮體積，使得末端開始慢慢進(jìn)入狹小空間(寬度為87mm通道)，最后柔性機(jī)械臂慢慢適應(yīng)狹小空間，可以進(jìn)行接下來的操作任務(wù)。

圖7 SY-Biotrunk避障實驗

3 SY-Biotrunk與其他機(jī)械臂的性能對比

結(jié)合航天需求與結(jié)構(gòu)輕量化、結(jié)構(gòu)剛度、運動靈活性、機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性幾個方面的機(jī)械屬性，本文將所提出的仿生柔性機(jī)械臂與其他機(jī)械臂進(jìn)行比較。

1) 結(jié)構(gòu)設(shè)計輕量化比較

面向機(jī)器人在航天器的在軌服務(wù)，歐美等國家常用做法是在航天器設(shè)置機(jī)械臂接口安裝大型機(jī)械臂[9]，實現(xiàn)移動與作業(yè)。對于航天器中狹小環(huán)境，本文所提出的柔性機(jī)械臂結(jié)構(gòu)緊湊，直徑僅僅為40mm，可搭載在移動平臺檢測作業(yè)，解決了傳統(tǒng)機(jī)械臂在航天器內(nèi)工作空間受限、靈活性較低等難題。隨著研究的深入，所提出的柔性機(jī)械臂可搭載移動平臺(移動機(jī)器人)進(jìn)行艙外作業(yè)，可部分替代航天員作業(yè)，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

2) 機(jī)械臂整體剛度比較

目前柔性機(jī)器人領(lǐng)域提出了諸多輕量化設(shè)計(直徑不超過50mm)的柔性機(jī)器人，部分已經(jīng)在醫(yī)療內(nèi)窺鏡領(lǐng)域[9]開始投入使用。而輕量化柔性機(jī)器人的驅(qū)動單元一般分為線驅(qū)動單元與氣動人造肌肉單元。兩種驅(qū)動單元依靠柔性材料豐富冗余自由度提高自身靈活性，但同時也大大降低機(jī)械臂的整體剛度，并且不利于控制，在完成具有末端應(yīng)力的航天艙作業(yè)任務(wù)存在缺陷。本文提出的仿生柔性機(jī)械臂全機(jī)身無柔性材料，關(guān)節(jié)間采用剛性三軸連接，保證機(jī)身具備較強剛度，末端可承受相比其他同類機(jī)械臂更大負(fù)載應(yīng)力。

3) 機(jī)械臂運動靈活性比較

本文提出的仿生柔性機(jī)械臂由若干柔性關(guān)節(jié)單元組成。每個柔性單元具有3個自由度，而常見的柔性機(jī)械臂關(guān)節(jié)大多以萬向2個自由度設(shè)計，傳統(tǒng)機(jī)械臂卻只有1個自由度。在關(guān)節(jié)的彎曲性能上，仿生柔性機(jī)械臂最大可彎曲53.3，而一般的柔性機(jī)械臂大多關(guān)節(jié)僅僅可以轉(zhuǎn)動30左右。在太空操作環(huán)境下存在大量原子氧，一些高分子材料容易發(fā)生老化，所以高分子彈性體或人造氣動肌肉不適合在此環(huán)境下工作。

4) 機(jī)械臂操作安全性比較

一般由電機(jī)驅(qū)動的輕量化柔性機(jī)械臂由于結(jié)構(gòu)原因，伺服電機(jī)不具備自鎖功能，而本文提出的仿生柔性機(jī)械臂關(guān)節(jié)由螺桿螺紋配合，軸向具有自鎖屬性，在發(fā)生斷電故障后可保持工作狀態(tài)不發(fā)生變化，不會受到慣性力和慣性力矩的干擾。所設(shè)計的仿生柔性機(jī)械臂以更可靠的機(jī)械性能保證了航天作業(yè)的安全性。

4 結(jié)語

本文借鑒于自然界象鼻的內(nèi)部組織和靈活特點，提出了一種仿生柔性機(jī)械臂SY-Biotrunk的設(shè)計方案。這種機(jī)械臂由若干柔性單元關(guān)節(jié)組成，具備結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、靈活性較強、整體剛度強、安全可靠性較高；并對航天作業(yè)需求有非常強的適應(yīng)性。計算了仿生機(jī)械臂各柔性單元之間位置姿態(tài)變換的位置空間，并對具體的航天實際環(huán)境進(jìn)行機(jī)械臂操作實驗。就所提出的仿生柔性機(jī)械臂與其他柔性機(jī)械臂作出比較，分析了所提出的柔性機(jī)械臂對于航天環(huán)境的適用性。

本文所做工作僅面向航天任務(wù)作業(yè)的機(jī)械臂系統(tǒng)研究的一部分，未來將由以下幾方面進(jìn)一步開展工作：在每個關(guān)節(jié)側(cè)面安裝超聲波傳感器，并提出自主避障算法，使仿生柔性機(jī)械臂具備自主避障能力；在各關(guān)節(jié)動平面安裝陀螺儀模塊，用于彌補應(yīng)力或慣性力對仿生柔性機(jī)械臂造成的誤差；進(jìn)一步改進(jìn)仿生柔性機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)，并面向其他航天任務(wù)進(jìn)行算法控制與實物實驗。