一種面向航天需求的仿生柔性機械臂的設計

于仕澤，王周義，戴振東，王炳誠，谷雨，宗衛佳

(南京航空航天大學 航天學院，江蘇 南京 210016)

0 引言

近年來，隨著航天活動的不斷增加，對于航天任務的要求也不斷提高。針對航天器內狹小空間的操作任務需求不斷增大，航天員及傳統機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械臂。

柔性機械臂具有超冗余自由度、操作空間限制少等諸多優良的特性，得到越來越多研究學者的關注，并被廣泛應用于火災救援、核電站、廢墟[1]等狹小空間的探測以及醫療領域上人體口腔、食道內部的檢測。其發展歷史可以追溯到20世紀60年代蛇形機器人的問世，至今發展歷史已達半個多世紀。柔性機器人可分為蛇形機器人與連續機器人[2]。蛇形機器人較長，例如OC robotics研制的蛇形機器人[3]，長度1200mm，直徑100mm，每一段由電機拖動驅動鋼絲線實現關節轉動。

連續機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構體。此概念啟發了許多研究學者，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機器人的“脊柱體”。彈性體“脊柱體”主要利用驅動線驅動，利用彈性體豐富自由度完成復雜動作，例如2013年香港中文大學Z. Li 提出的仿生線驅柔性機器人[4]，直徑達20mm。氣動肌肉組成的柔性機械臂主要以2014年德國festo公司提出的氣動象鼻機器人[5]為代表，其長度達850mm，最大直徑達到130mm。2012年LASCHI等人提出一款由記憶合金SMA組成的柔性機器人[6]，這款機器人直徑在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構的柔性機械臂SY-Biotrunk。該柔性機械臂由8個柔性關節連接，單個關節具有3個自由度。驅動模式采用電機螺紋配合驅動。這種設計具備諸多優點：1) 機械臂靈活性較強，并且關節拓展性較強，可根據實際情況搭接更多關節； 2) 結構剛度較高，關節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由3個并聯電機輸入決定，并聯平臺具有較高的控制精度；4) 機器人整體安全性較強，由于這種柔性機械臂的連接方式為螺紋桿與內螺紋連接，在遭遇斷電、信號中斷等因素時可以保持機械臂姿態不發生變化。

1 仿生柔性機械臂SY-Biotrunk的設計

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部特殊的結構組成。象鼻內部超過15萬組肌肉單元[7]里面卻沒有鼻骨。象鼻內部的肌肉分為縱肌與橫肌，縱肌縱向排列在象鼻內部，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，用來改變鼻腔的內部空間，象鼻正是運用橫肌得以完成吸水、噴水[8]。

從象鼻內部結構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，以象鼻內部結構為仿生設計對象，設計一種仿生柔性機械臂。

柔性機械臂的關節采用三軸并聯平臺的方式設計。該關節可實現縱向收縮，也可實現靈活的萬向彎曲，使象鼻內部的橫肌、縱肌功能得以實現。將若干柔性關節單元交錯連接，最終設計出仿生柔性機械臂如圖1所示。

圖1 機器人設計的仿生原理

1) SY-Biotrunk的設計參數

本文設計的仿生柔性機械臂的結構參數如表1所示，機身材料為硬鋁合金。整體結構如圖2所示。

表1 SY-Biotrunk結構參數

圖2 SY-Biotrunk整體結構

如圖2所示，柔性機械臂SY-Biotrunk由8個柔性關節單元組成。單個柔性單元為三軸并聯平臺，由3個子鏈將上下2個平臺(靜平臺與動平臺)并聯所組成。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和與下一個平臺連接的旋轉螺母3部分組成。不難得到，單個子鏈的自由度數量是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入到上方部分，完成機構運動。這種串聯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動角度。根據機械結構的規劃，可以確保在一定角度的旋轉范圍內相鄰部分不發生機械干涉。交錯式相位連接可以使得整體柔性機械臂在軸向每隔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。不難發現具有交錯式連接方式的柔性機械臂在各個方向抵抗彎矩的能力更為均衡。柔性機械臂每個部分轉動極限(圖3) 為53.3，與相近尺寸類型的柔性機械臂相比，具有較大的轉動性能優勢。

柔性機械臂往往需要在一些環境復雜的工作空間操作作業。對于障礙物較多的環境，SY-Biotrunk具有良好的環境適應性。，這種機械臂轉彎直徑僅為216.3mm，并且這種仿生柔性機械臂的結構具備良好的拓展性，可根據實際的環境情況需要增加更多的串聯部分，可充分發揮結構的靈活性能。

圖3 SY-Biotrunk轉動性能

2) 柔性機械臂的運動學分析

對SY-Biotrunk仿生柔性機械臂的運動學分析，首先對柔性關節單元建模分析。以定平臺中心建立坐標系，描述動平臺歐拉角姿態變換，進一步求三軸的空間矢量,如圖4、圖5所示。

圖4 支鏈設計示意圖

圖5 單個部分結構示意圖

(1)

(2)

(3)

求得連桿矢量為：

(4)

根據單鏈約束關系，求得伴隨運動關系：

(5)

當單個平臺繞K軸旋轉θ，其中K=kxi+kyj，可以得到：

(6)

其中:Vsθ=1-cosθ；sθ=sinθ；cθ=cosθ。

因此，當柔性機械臂完成類似彈性體連續曲率彎曲時，運動學轉換矩陣為：

(7)

工作空間是機械臂靈活性能的重要屬性。并聯機器人學中，操作空間一般分為可達位置空間、靈活位置空間等。本文將對所提出的仿生柔性機械臂可達位置空間進行討論。

對于柔性關節單元采用基于Matlab的仿真分析方法，將柔性機械臂在Matlab-simechanics建立數學模型，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。仿真結果如圖6所示。

圖6 柔性關節工作空間

2 面向航天避障任務的操作實驗

前文提到，在航天環境內，存在諸多重要的而航天員不易進入的狹小環境。基于所設計的仿生柔性機械臂功能，提出幾種具體航天任務的路徑規劃，并完成在模擬太空環境中的操作實驗。

為滿足航天器內狹小空間的操作任務，在微重力實驗平臺進行航天器空間障礙物的模擬搭建。通過開環控制機械臂穿越障礙物，以此驗證所設計的柔性機械臂具備在狹小空間內操作作業的機械性能。

根據有關柔性機械臂機械性能相關參數以及避障策略的內容，對SY-Biotrunk進行避障實驗(圖7) 。從圖7中可以看到柔性機械臂在有限空間(44cm×33cm)內完成體積壓縮并獲取足夠操作空間。

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

圖7 SY-Biotrunk避障實驗

3 SY-Biotrunk與其他機械臂的性能對比

結合航天需求與結構輕量化、結構剛度、運動靈活性、機構穩定性幾個方面的機械屬性，本文將所提出的仿生柔性機械臂與其他機械臂進行比較。

1) 結構設計輕量化比較

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

2) 機械臂整體剛度比較

目前柔性機器人領域提出了諸多輕量化設計(直徑不超過50mm)的柔性機器人，部分已經在醫療內窺鏡領域[9]開始投入使用。而輕量化柔性機器人的驅動單元一般分為線驅動單元與氣動人造肌肉單元。兩種驅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械臂的整體剛度，并且不利于控制，在完成具有末端應力的航天艙作業任務存在缺陷。本文提出的仿生柔性機械臂全機身無柔性材料，關節間采用剛性三軸連接，保證機身具備較強剛度，末端可承受相比其他同類機械臂更大負載應力。

3) 機械臂運動靈活性比較

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

4) 機械臂操作安全性比較

一般由電機驅動的輕量化柔性機械臂由于結構原因，伺服電機不具備自鎖功能，而本文提出的仿生柔性機械臂關節由螺桿螺紋配合，軸向具有自鎖屬性，在發生斷電故障后可保持工作狀態不發生變化，不會受到慣性力和慣性力矩的干擾。所設計的仿生柔性機械臂以更可靠的機械性能保證了航天作業的安全性。

4 結語

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

本文所做工作僅面向航天任務作業的機械臂系統研究的一部分，未來將由以下幾方面進一步開展工作：在每個關節側面安裝超聲波傳感器，并提出自主避障算法，使仿生柔性機械臂具備自主避障能力；在各關節動平面安裝陀螺儀模塊，用于彌補應力或慣性力對仿生柔性機械臂造成的誤差；進一步改進仿生柔性機械臂的結構，并面向其他航天任務進行算法控制與實物實驗。