線驅(qū)動(dòng)的連續(xù)體機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)解析

周海君

（沈陽(yáng)科技學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110000）

隨著現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，更多新型種類機(jī)器人展現(xiàn)在人們眼前，線驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)器人就是其中較為顯著的一個(gè)，并且線驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)器人的出現(xiàn)，可以為相關(guān)行業(yè)的生產(chǎn)提供便利的條件。同時(shí)，傳統(tǒng)的機(jī)器人經(jīng)常會(huì)受到自身結(jié)構(gòu)的影響，無(wú)法完成復(fù)雜工作條件的各項(xiàng)操作任務(wù)。由于線驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)器人自身具有良好的彎曲性能，可以避免外界環(huán)境對(duì)機(jī)器人的約束，可以更好地完成各項(xiàng)生產(chǎn)工作。但是，由于線驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)器人的結(jié)構(gòu)相對(duì)較為復(fù)雜，所以在設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要對(duì)各個(gè)方面進(jìn)行綜合性的考慮，并且進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，以此保證線驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)器人的精準(zhǔn)度。

1 線驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)器人概況分析

通過對(duì)線驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)器人概述和特點(diǎn)的了解，可以更好地展開線驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，以及分析其發(fā)展趨勢(shì)，這樣才能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的目的，確保其運(yùn)行性能[1]。

1.1 概述

1.線驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)器人由激光模塊、內(nèi)窺鏡、觸覺反饋設(shè)備等方面組成。其中，驅(qū)動(dòng)模塊作為線驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)器人的核心，主要是在線連續(xù)機(jī)械臂、電滑軌的基礎(chǔ)之上，以此形成機(jī)械臂系統(tǒng)。同時(shí)，電滑軌驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂在運(yùn)行期間，主要是確保整體運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性，并且將其置于機(jī)械臂的光纖中；激光器、激光器纖維等設(shè)備激光模塊。激光器屬于光纖中的激光源，光纖主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)和信息的傳輸[2]。另外，內(nèi)窺鏡主要是傳輸圖像的光纖、相機(jī)以及對(duì)圖像處理的主要設(shè)備，并且在線驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)器人內(nèi)，主要是負(fù)責(zé)監(jiān)控激光在系統(tǒng)內(nèi)的運(yùn)行行為，實(shí)時(shí)地將各項(xiàng)信息和數(shù)據(jù)畫面?zhèn)鬏斀o操作人員，這樣操作人員可以根據(jù)畫面的各項(xiàng)信息和數(shù)據(jù)更好地完成各項(xiàng)指令，確保線驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)器人運(yùn)行的精準(zhǔn)性。

2.線驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)器人在使用期間，主要是握住以及移動(dòng)操作手柄，逐漸傳達(dá)操作者的指令，并且主機(jī)將運(yùn)動(dòng)指令傳輸給機(jī)械臂，從而線驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，機(jī)械臂系統(tǒng)在運(yùn)行的時(shí)候，激光能量纖維會(huì)將目標(biāo)信息傳輸?shù)较鄳?yīng)位置，并且發(fā)揮出自身的作用。另外，在該階段，內(nèi)窺鏡始終起到監(jiān)控激光的行為，拍攝到相關(guān)畫面，并且傳輸?shù)街鳈C(jī)設(shè)備，使操作人員獲取各項(xiàng)信息，以便執(zhí)行各項(xiàng)操作方案。

1.2 特點(diǎn)

線驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)輕量性以及靈活性高等特點(diǎn)，在具體運(yùn)行期間，可以在自身彎曲變形中實(shí)現(xiàn)對(duì)非規(guī)則形狀物體的抓取，從而獲取相關(guān)的信息和數(shù)據(jù)，并且在很多行業(yè)領(lǐng)域中都有著廣泛的應(yīng)用[3]。同時(shí)，在線驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)器人運(yùn)行期間，傳統(tǒng)系統(tǒng)經(jīng)常會(huì)受到非線摩擦、伸長(zhǎng)關(guān)節(jié)、以及關(guān)節(jié)之間耦合作用的影響，其控制精度相對(duì)較低，影響其定位精準(zhǔn)以及抓取量，這時(shí)就需對(duì)現(xiàn)有結(jié)果不斷進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，從而提升線驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)器人的使用品質(zhì)。

2 線驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

由于線驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)器人設(shè)計(jì)相對(duì)較為復(fù)雜，所以在設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的時(shí)候，必須明確其要點(diǎn)，這樣才能保證其良好的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)效果。那么，在線驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)器人設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)考慮以下幾點(diǎn)內(nèi)容。

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

線驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)器人屬于一種高冗余自由度的機(jī)器人，并且與傳統(tǒng)的機(jī)器人有著很大的不同，不僅體積相對(duì)較小，靈敏度也相對(duì)較高，并且可以在復(fù)雜、受限的環(huán)境中，采取多樣化的運(yùn)動(dòng)方式完成各項(xiàng)指令。對(duì)此，在線驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)，需要對(duì)各項(xiàng)要求進(jìn)行綜合性的考慮，尤其是靈活性、定位、結(jié)構(gòu)緊湊等方面，并且需要根據(jù)線驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)器人的特性，對(duì)控制部分、驅(qū)動(dòng)部分、機(jī)器人本體等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。

另外，在設(shè)計(jì)的時(shí)候，通過利用Arduino 控制器，與紅外遙控器進(jìn)行配合，可以很好地提升線驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)器人的性能。針對(duì)驅(qū)動(dòng)部分，采用電機(jī)和絲杠的模式，將線纜固定于絲杠上，這樣可以通過電極運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)絲杠，實(shí)現(xiàn)反復(fù)運(yùn)行，從而對(duì)線纜進(jìn)行控制[4]。

2.2 構(gòu)型設(shè)計(jì)

構(gòu)型是線驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)踐中一項(xiàng)重點(diǎn)內(nèi)容，主要基于柔性支撐的一種線驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)器人，并且在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的時(shí)候，需要對(duì)構(gòu)型的單關(guān)節(jié)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。

同時(shí)，為了獲取更好的工作空間，需要根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)構(gòu)型尺寸進(jìn)行優(yōu)化，這樣才能有效提升線驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)器人設(shè)計(jì)人員的精準(zhǔn)性。另外，由于線驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)器人經(jīng)常在復(fù)雜條件和環(huán)境中運(yùn)行，所以在構(gòu)型設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要對(duì)使用條件進(jìn)行考慮，適當(dāng)進(jìn)行調(diào)整，減少?gòu)?fù)雜環(huán)境對(duì)線驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)器人運(yùn)行的影響。

2.3 單關(guān)節(jié)模塊設(shè)計(jì)

在柔性支撐的基礎(chǔ)之上，需要從基座、動(dòng)平臺(tái)、柔性支撐骨架、以及驅(qū)動(dòng)等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且在柔性支撐骨架設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要用液壓軟骨材料，這樣可以有效提升線驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)器人的抗拉強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)剛度等，避免出現(xiàn)拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、變形等問題。另外，需要結(jié)合設(shè)計(jì)情況，將連接點(diǎn)均勻地布置在動(dòng)平臺(tái)與基座上，這樣可以利用驅(qū)動(dòng)電機(jī)牽引，以此保證良好的設(shè)計(jì)效果[5]。同時(shí)，在設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要確定設(shè)計(jì)變量，根據(jù)相關(guān)的約束條件，以及目標(biāo)函數(shù)，從而構(gòu)建數(shù)據(jù)模型，根據(jù)模型得出最優(yōu)參數(shù)。其公式為：目標(biāo)函數(shù)為max（Vfc），并且如果約束條件為：0≤d ≤200mm，0≤L ≤200mm，-π≤ɑ ≤π，0≤θ≤，其中，Vfc為最大的封閉工作空間，L 為關(guān)節(jié)模塊的高度，r 為連接點(diǎn)的半徑，ɑ為關(guān)節(jié)模塊的彎曲方向，θ為關(guān)節(jié)模塊的彎曲角。在設(shè)計(jì)的時(shí)候，選定設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)，以及確定約束條件以后，可以采取遺傳算法進(jìn)行求解，從而得出最優(yōu)的設(shè)計(jì)參數(shù)，以此保證線驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)器人設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，確保其精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)于實(shí)際工作中。

2.4 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)一直都是線驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)器人設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，主要是利用Arduino 完成各項(xiàng)設(shè)計(jì)作業(yè)。同時(shí)，在軟件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的時(shí)候，Arduino 控制運(yùn)行之前，需要利用紅外遙控器進(jìn)行控制，并且如果選取轉(zhuǎn)軸自由角度模式的話，應(yīng)當(dāng)采用遙控器，根據(jù)順序?qū)⑷齻€(gè)關(guān)節(jié)角度輸入Arduino 中，并且構(gòu)建a、β和φ、θ之間的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系，反求得到φ、θ，根據(jù)其結(jié)果，計(jì)算出絲杠移動(dòng)距離。將所得出的距離，根據(jù)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量進(jìn)行轉(zhuǎn)換，形成步進(jìn)電機(jī)控制脈沖數(shù)目。但是，如果選取轉(zhuǎn)軸固定角度模式，需要利用遙控器選取運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)定關(guān)節(jié)角度的運(yùn)行狀態(tài)[6]。

另外，在設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要預(yù)先儲(chǔ)存不同關(guān)節(jié)角度的對(duì)應(yīng)電極脈沖數(shù)據(jù)，并且可以利用Arduino 進(jìn)行控制，以此實(shí)現(xiàn)固定角度的運(yùn)行，確保機(jī)器人良好的運(yùn)行性能。

2.5 結(jié)構(gòu)組裝

需要根據(jù)線驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)器人的原理，以及接線圖，做好各個(gè)電氣元件的連接，并且利用3-D 打印的方式進(jìn)行制造，將各項(xiàng)結(jié)構(gòu)圖詳細(xì)、準(zhǔn)確地打印出來(lái)，根據(jù)圖紙高效地完成整體組裝工作。同時(shí)，在結(jié)構(gòu)組裝的時(shí)候，需要將絲杠和電機(jī)等部件以及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器置于末端箱體內(nèi)，并且利用USB 線纜與控制芯片、計(jì)算機(jī)等進(jìn)行連接，以此形成一個(gè)完善的系統(tǒng)。

2.6 系統(tǒng)調(diào)試

在線驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)器人設(shè)計(jì)完成以后，需要與電源進(jìn)行連接，根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置，并且需要利用紅外開關(guān)基于輸入的角度，對(duì)運(yùn)行范圍進(jìn)行嚴(yán)格的控制。在系統(tǒng)調(diào)試的時(shí)候，根據(jù)相關(guān)要求，軸向角度限制應(yīng)當(dāng)設(shè)置為：0°～10°，軸向角限制應(yīng)當(dāng)設(shè)置為0°～359°[7]。同時(shí)，在系統(tǒng)測(cè)試時(shí)需要以轉(zhuǎn)走自由角度為例，在啟動(dòng)之前，需要在起始位置的三個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)置，并且應(yīng)當(dāng)對(duì)電機(jī)運(yùn)動(dòng)步數(shù)進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，得知控制脈沖數(shù)目，如表1 所示。另外，在電源接通以后，需要利用紅外遙控器對(duì)電機(jī)運(yùn)行模式進(jìn)行設(shè)置，并且對(duì)運(yùn)行角度進(jìn)行控制。利用相關(guān)軟件，對(duì)運(yùn)行角度所對(duì)應(yīng)的電極脈沖數(shù)目進(jìn)行計(jì)算，再通過利用控制芯片，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行控制，從而確保線驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)器人控制的精準(zhǔn)度。

表1 對(duì)應(yīng)目標(biāo)位置電機(jī)的控制脈沖數(shù)

3 線驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

對(duì)于線驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)器人，其末端位置主要是由驅(qū)動(dòng)繩的長(zhǎng)度所確定，所以需要對(duì)線驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行分析，對(duì)繩索長(zhǎng)度以及末端系統(tǒng)位置之間的關(guān)系進(jìn)行研究，并且需要對(duì)已知的驅(qū)動(dòng)繩長(zhǎng)度、驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)器人末端移動(dòng)的位置參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，還需要根據(jù)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的原則，對(duì)各個(gè)關(guān)節(jié)繩索長(zhǎng)度進(jìn)行合理的設(shè)定。另外，在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的時(shí)候，需要將柔性支撐結(jié)構(gòu)作為基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的構(gòu)建方式一般以D-H 參數(shù)法為主，無(wú)法很好地描述其運(yùn)行狀態(tài)。對(duì)此，在線驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)器人運(yùn)行學(xué)分析的時(shí)候，可以利用瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)軸的原理，對(duì)線驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)器人的彎曲運(yùn)動(dòng)進(jìn)行描述，再利用螺旋理論構(gòu)建其正運(yùn)動(dòng)學(xué)模型[8]。另外，從逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分的角度來(lái)說(shuō)，一般以冗余系統(tǒng)作為基礎(chǔ)，這時(shí)在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的時(shí)候，可以利用數(shù)值逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的方式，對(duì)驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀況進(jìn)行計(jì)算，以此保證驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)器人運(yùn)行的精準(zhǔn)性。

4 發(fā)展趨勢(shì)

就目前情況來(lái)說(shuō)，線驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)器人具有良好的發(fā)展趨勢(shì)，主要表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)內(nèi)容。

1.需要根據(jù)現(xiàn)有情況，對(duì)形狀感知模型進(jìn)行優(yōu)化，并且可以將柔性傳感器理想化作為線模型，由于形狀感知模型存在著一定的誤差，會(huì)對(duì)形狀感知結(jié)果造成一定的影響。同時(shí)，形狀、性能等方面需要進(jìn)一步優(yōu)化，以此減少異常問題的產(chǎn)生。

2.需要根據(jù)相關(guān)要求，對(duì)感知反饋系統(tǒng)進(jìn)行檢驗(yàn)，并且受到時(shí)間方面的限制，這時(shí)為了確保模型的可行性，可以在柔性儲(chǔ)傳感器的基礎(chǔ)之上，對(duì)其不斷進(jìn)行優(yōu)化，從而提升線驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)器人的運(yùn)行性能。

3.在線驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)器人發(fā)展期間，可以對(duì)柔性被動(dòng)支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，從而強(qiáng)化其精準(zhǔn)度[9]。另外，還需要結(jié)合相關(guān)行業(yè)的需求，對(duì)其有針對(duì)性地進(jìn)行優(yōu)化，這樣才能保證其良好的發(fā)展趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)自身的價(jià)值。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，線驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)器人在很多行業(yè)領(lǐng)域中都有著廣泛的應(yīng)用，但是在線驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)器人設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的時(shí)候，其結(jié)構(gòu)相對(duì)較為復(fù)雜，所以難度相對(duì)較大。同時(shí)，傳統(tǒng)的機(jī)器人存在著一定的弊端，所以為滿足各個(gè)方面的需求，在線驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的時(shí)候，要嚴(yán)格落實(shí)各項(xiàng)要點(diǎn)，這樣才能保證良好的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)效果，促使線驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)器人可以更好地發(fā)展。