張拉整體機器人桿件后屈曲驅動行走數值仿真

摘要：球形張拉整體機器人與傳統的輪式、足式機器人相比，具有高強度質量比、緩沖性能好、地形適應力強等優點，在深空探測中有著廣闊的應用前景。球形張拉整體機器人常采用繩索驅動模式，但在驅動行走過程中，過多的驅動數目給球形張拉整體機器人的制造與控制帶來了困難。提出了一種基于柔性桿件后屈曲變形的新型驅動模式，實現了球形張拉整體機器人行走過程的數值仿真，并對繩索驅動和桿件后屈曲驅動模式的效率進行了比較。通過橢圓積分法，求得單根桿件在后屈曲變形中的精確解。基于該理論在ADAMS 中建立考慮桿件后屈曲變形、接觸、摩擦的球形張拉整體機器人剛柔耦合動力學仿真模型。通過ADAMS 與Simulink 軟件聯合仿真，利用貪心搜索（greedy search）算法，確定了球形張拉整體機器人的基本步態。在Simulink 軟件中建立控制系統模型，實現了機器人在桿件后屈曲驅動模式下，向任意目標點的行走控制。對比傳統繩索驅動，桿件后屈曲驅動模式下，機器人連續行走所需驅動器數目從18 個減少到6 個，行走速度提高了43.78%。研究結果為新型張拉整體機器人的設計與制造提供了理論指導。

關鍵詞：球形張拉整體機器人；后屈曲驅動；貪心搜索；驅動效率；行走控制；Simulink

中圖分類號：O39 文獻標志碼：A 文章編號：1000-582X（2024）08-090-13

“Tensegrity”由“tensile”和“integrity”2 個詞組合而成，最早是在20 世紀后期由Fuller 提出。鑒于張拉整體高效的結構形式、形態可調整等特點，近年來在機器人領域得到了更多的關注。例如，Paul 等[1]最早提出了2 種棱柱張拉整體機器人。之后張拉整體模塊化的概念被提出[2]，被應用于管道勘探[3?5]以及機械臂[6?10]之中。為了進一步提高張拉整體機器人在不同環境中實現目標的能力，一系列多脊椎張拉整體被提出，以實現自由度更多的運動[11?15]。

球形張拉整體機器人是由若干桿件通過繩索連接而成，因此，有各種形態的張拉整體機器人。Shibata 和Hirai 提出了可翻滾六桿張拉整體機器人的概念設想。圖1 為六桿機器人，是一種可翻滾的球形張拉整體，通過重力勢能的變化來引起滾動，實現向某一方向的前進[16]。六桿張拉整體機器人因具有出色的運動性能，引起了許多學者的關注。目前，六桿球形張拉整體機器人大多采用繩驅動模式，即機器人中的桿件可視作剛性桿，利用繩長變化來改變構型，從而引起重力勢能變化。有多種方式實現繩長變化，部分學者將電機安裝在桿件上，以收縮張拉整體的繩單元[17?22]；Chung 等[23]利用溫度變化實現記憶合金繩單元長度變化；Wang 等[24]采用液晶彈性體?碳納米管復合材料作為繩單元，并由激光照射實現長度變化；Lee 等[25]利用具有磁性功能的智能肌腱驅動張拉整體機器人；Koizumi 等[26]展示了由24 個氣動McKibben 執行器驅動的張拉整體機器人，并實現了翻滾運動。繩驅動模式雖然有著多樣化的設計，但驅動器過多導致了控制方案復雜和實物制造困難。