機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的發(fā)展與應(yīng)用綜述

摘 要：機(jī)械臂以其獨(dú)特的靈活性、強(qiáng)大的感知能力以及突出的適應(yīng)能力被廣泛應(yīng)用于國(guó)防軍事領(lǐng)域，如太空探索、工業(yè)裝配、戰(zhàn)場(chǎng)防爆等危險(xiǎn)場(chǎng)景。通過(guò)仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模仿生物體內(nèi)微結(jié)構(gòu)的排布方式與應(yīng)急調(diào)控機(jī)理，可大幅度提升機(jī)械臂結(jié)構(gòu)在復(fù)雜服役環(huán)境下的多功能適應(yīng)性，提高生產(chǎn)效率、拓寬應(yīng)用領(lǐng)域，推動(dòng)科技進(jìn)步。本文依據(jù)剛度特性將機(jī)械臂主要分為剛性機(jī)械臂、剛?cè)狁詈蠙C(jī)械臂和柔性機(jī)械臂三類，分別闡述了三類機(jī)械臂的優(yōu)勢(shì)、劣勢(shì)、研究現(xiàn)狀及應(yīng)用情況，并從機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法、機(jī)械臂仿生設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)方法及控制策略角度闡述了機(jī)械臂設(shè)計(jì)制造中的關(guān)鍵技術(shù)。最后介紹了仿生柔性機(jī)械臂在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：機(jī)械臂； 發(fā)展現(xiàn)狀； 關(guān)鍵技術(shù)； 仿生結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：V214.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2024.05.005

機(jī)器輔助人或替代人是人類一直以來(lái)追求的目標(biāo)。目前，機(jī)械臂是各領(lǐng)域中最常見(jiàn)的一種機(jī)器人。機(jī)械臂以其獨(dú)特的靈活性、強(qiáng)大的感知能力，以及突出的適應(yīng)能力被廣泛應(yīng)用于太空探索、工業(yè)裝配、戰(zhàn)場(chǎng)防爆等危險(xiǎn)場(chǎng)景[1-2]。通過(guò)機(jī)械臂代替人類完成繁瑣、危險(xiǎn)的重復(fù)性工作或復(fù)雜工作，可有效提高生產(chǎn)效率，保證人類生命安全，改善工作環(huán)境以及拓寬應(yīng)用領(lǐng)域，推動(dòng)科技進(jìn)步等[3-4]。在工業(yè)生產(chǎn)中，機(jī)械臂主要用于搬運(yùn)、包裝、自動(dòng)化裝配與焊接等重復(fù)性工作[5]。在醫(yī)療領(lǐng)域，機(jī)械臂可用于微型手術(shù)[6]。在深海、強(qiáng)輻射、高電壓及有毒有害等極端環(huán)境下，機(jī)械臂可減少人工傷害和職業(yè)病風(fēng)險(xiǎn)[7]。尤其是在太空探索中，機(jī)械臂可用于承擔(dān)遙控探測(cè)及協(xié)助航天員維修航天器等重要任務(wù)[8-9]。隨著人類對(duì)太空探索的不斷深入，每年新增的各類航天器數(shù)量不斷增加，這些航天器在運(yùn)行過(guò)程中難免出現(xiàn)燃料不足、老化、故障等問(wèn)題，導(dǎo)致產(chǎn)生了大量人造空間碎片，給在軌運(yùn)行的航天器帶來(lái)了嚴(yán)重的安全隱患[10]。使用空間機(jī)械臂對(duì)受損的航天器進(jìn)行及時(shí)維修可以顯著節(jié)約成本，提高經(jīng)濟(jì)效益[11]。因此，機(jī)械臂的廣泛應(yīng)用是經(jīng)濟(jì)與科技發(fā)展的必然趨勢(shì)。

因其具有巨大的優(yōu)勢(shì)與發(fā)展?jié)摿Γ瑖?guó)內(nèi)外針對(duì)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)與應(yīng)用開(kāi)展了大量研究，并取得了一些積極的進(jìn)展。機(jī)械臂種類繁多，依據(jù)剛度特性，可將其分為剛性機(jī)械臂、柔性機(jī)械臂和剛?cè)狁詈蠙C(jī)械臂三類。本文將分別介紹三類機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究現(xiàn)狀及其設(shè)計(jì)制造的關(guān)鍵技術(shù)，并著重闡述其在航空航天領(lǐng)域的研究進(jìn)展。

1 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)分類與發(fā)展現(xiàn)狀

機(jī)械臂仿生設(shè)計(jì)可以最大限度地模仿人類真實(shí)手臂工作，且控制簡(jiǎn)單，易于與其他設(shè)備一起實(shí)現(xiàn)集成控制，有著良好的安全性及人機(jī)交互性，在很多科研領(lǐng)域有著較為廣泛的應(yīng)用。本節(jié)主要介紹剛性、柔性、剛?cè)狁詈先悪C(jī)械臂仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究現(xiàn)狀。

1.1 剛性機(jī)械臂

剛性機(jī)械臂由多個(gè)關(guān)節(jié)組成，各個(gè)關(guān)節(jié)之間呈直線或者旋轉(zhuǎn)關(guān)系，形成一個(gè)剛性鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)。由于關(guān)節(jié)和鏈條之間不存在彈性變形，因此剛性機(jī)械臂具有高負(fù)載、高精度、高重復(fù)性和高速度等特點(diǎn)[12]，適用于對(duì)精度要求較高的場(chǎng)合[13]，可用于物體抓取、搬運(yùn)、電子組裝、精密機(jī)械加工、醫(yī)療手術(shù)等行業(yè)。

1954年，Merlet[14]設(shè)計(jì)了第一個(gè)可編程機(jī)器人，機(jī)器人可依據(jù)記憶完成人類演示動(dòng)作的復(fù)現(xiàn)，但其不具備傳感功能。因此，其應(yīng)用范圍受到了較大限制。20世紀(jì)60年代，Unimation公司正式推出了第一臺(tái)商用機(jī)器人——Unimation，如圖1（a）所示，并于1979年完成了Puma系列的設(shè)計(jì)制造，如圖1（b）所示，該系列機(jī)器人采用兩級(jí)微機(jī)控制和全電式驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，并配置視覺(jué)、觸覺(jué)等傳感器[15]。此外，獨(dú)有的閉環(huán)控制系統(tǒng)可將觸手檢測(cè)到的信息及時(shí)反饋并實(shí)時(shí)調(diào)整，提高該類機(jī)器人的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)精度。

1973年，世界首臺(tái)通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，且安裝有動(dòng)態(tài)視覺(jué)的六軸剛性機(jī)械臂誕生，如圖2[16]所示。1978年，Makino等[17]發(fā)明了選擇順應(yīng)性裝配機(jī)器手臂，該類機(jī)器人的特點(diǎn)是體積小、速度快、靈活性強(qiáng)。與六軸機(jī)械臂相比，其成本、使用難度更低，末端執(zhí)行器的相對(duì)誤差也較小。Asada等[18]介紹了一種基于電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的新型機(jī)械臂的設(shè)計(jì)思想，取消電機(jī)與負(fù)載之間的所有傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（如減速器和鏈帶），該設(shè)計(jì)可有效地提高機(jī)械臂的精度與穩(wěn)定性，使其自由、平穩(wěn)地完成移動(dòng)，且電機(jī)的高扭矩、輕質(zhì)和小巧等特點(diǎn)，使該類機(jī)械臂性能更高、更輕質(zhì)[19]。

德國(guó)KUKA KR-100工業(yè)機(jī)械臂在各關(guān)節(jié)處采用不同的連接方法，可實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的活動(dòng)軌跡，將其固定于生產(chǎn)線特定位置，以較高的精度完成各種各樣的重復(fù)性工作[20]。1985年，KUKA開(kāi)發(fā)出一款新的Z形機(jī)械臂，可實(shí)現(xiàn)6個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)維度，極大地節(jié)省了運(yùn)行空間。1997年，Pernette等[21]提出了基于柔性關(guān)節(jié)的并聯(lián)機(jī)械臂。該類機(jī)械臂主要通過(guò)示教編程系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物體的捕捉，確定抓取夾具的理論空間位置，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物體的運(yùn)輸、加工等操作，具有高速、輕質(zhì)、承載能力強(qiáng)等特點(diǎn)。1998年，瑞士Güdel公司開(kāi)發(fā)出“RoboLoop”系統(tǒng)，該系統(tǒng)使單個(gè)機(jī)械臂或多個(gè)搬運(yùn)機(jī)械臂能夠在一個(gè)完全封閉的弧形軌道中循環(huán)操作，為工廠自動(dòng)化發(fā)展創(chuàng)造了可能[22]。

綜上所述，剛性機(jī)械臂在各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展已較為成熟，主要用于產(chǎn)品搬運(yùn)、加工、裝配等工藝環(huán)節(jié)，這些環(huán)節(jié)均涉及了對(duì)工件、工具的拾取與移動(dòng)。所使用的機(jī)械拾取手爪通常也以剛性為主，有著較高的定位準(zhǔn)確性及抓持可靠性。但受小型化、低自由度以及小巧性等特點(diǎn)約束，該類機(jī)械臂的缺點(diǎn)也較為突出，如要求被移動(dòng)物體需要具有穩(wěn)定的外形和堅(jiān)固的表面，且難以滿足在狹窄環(huán)境中自由穿越、實(shí)現(xiàn)障礙物躲避及靈巧作業(yè)的需求。

1.2 柔性機(jī)械臂

在實(shí)際生產(chǎn)工業(yè)應(yīng)用中，為了提高生產(chǎn)效率、節(jié)省成本，需要減輕機(jī)械臂的重量或提高它們的操作速度。因此，使用輕型機(jī)械臂、制造柔性機(jī)械臂是減小能耗的主要途徑之一[23]。目前，柔性機(jī)械臂的設(shè)計(jì)制造已成為許多工程學(xué)科的研究熱點(diǎn)，與傳統(tǒng)的笨重剛性機(jī)器人相比，柔性機(jī)器人具有質(zhì)量輕、尺寸小、能耗低、工作空間更大、可運(yùn)輸性好、操作速度快以及安全性高等優(yōu)點(diǎn)[24]。近年來(lái)，針對(duì)柔性機(jī)械臂的研究主要集中在柔性機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)建模，輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高自由度的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及智能控制等方面。

1.2.1 傳統(tǒng)柔性機(jī)械臂

Wei Dunwen等[25]以章魚(yú)的觸手肌肉為靈感模擬其收縮行為，設(shè)計(jì)了一種柔性仿生機(jī)械臂，如圖3所示。該柔性機(jī)械臂以彈性彈簧為骨架，通過(guò)電動(dòng)4根繩索和可變形結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)柔性機(jī)械臂的收縮、彎曲和扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。結(jié)果表明，該機(jī)械臂具有良好的環(huán)境適應(yīng)性和操縱能力，且各節(jié)段自由度可控。未來(lái)可對(duì)該模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，設(shè)計(jì)閉環(huán)控制策略，以實(shí)現(xiàn)更精確的位置和剛度控制。

受軟體機(jī)械臂啟發(fā)[26]，結(jié)合柔性桿驅(qū)動(dòng)的原理及特點(diǎn)，Wang Peiyi等[27]設(shè)計(jì)并制造了一種用于最小接觸手術(shù)的模塊化柔性機(jī)械臂，該結(jié)構(gòu)由硅膠主體、底座和端盤(pán)、三個(gè)硅膠管及三個(gè)鎖環(huán)組成，如圖4所示。硅膠軟體則布置于底盤(pán)和端盤(pán)之間，通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)桿運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)柔性機(jī)械臂的伸長(zhǎng)、縮短和彎曲運(yùn)動(dòng)。結(jié)果表明，這一結(jié)構(gòu)也達(dá)到了外科醫(yī)生需要的規(guī)格。未來(lái)可進(jìn)一步提高軟體臂的運(yùn)動(dòng)控制，構(gòu)建分布自感知傳感器模型，增加柔性機(jī)械臂的感知能力。

Jiang Hao等[28]受象鼻啟發(fā)，開(kāi)發(fā)了基于蜂窩氣動(dòng)網(wǎng)絡(luò)（HPN）結(jié)構(gòu)的柔性機(jī)械臂，如圖5所示。該蜂巢網(wǎng)格結(jié)構(gòu)是氣囊和蜂巢的結(jié)合，以蜂巢結(jié)構(gòu)為骨架，通過(guò)氣囊的充氣—放氣實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的伸展或彎曲，并利用非線性有限元方法（FEM）與物理試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，HPN結(jié)構(gòu)可較好地平衡結(jié)構(gòu)的變形與承載能力，具有較好的靈活性。

Falco等[29]提出了一種可變剛度多模塊柔性機(jī)械臂，重現(xiàn)章魚(yú)手臂的運(yùn)動(dòng)。該機(jī)械手由三個(gè)幾何形狀和剛度性能完全相同的單元組成，這些單元的外部骨架均由硅膠制成，內(nèi)部通過(guò)流體介質(zhì)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)變形，并在結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)置阻塞裝置，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的剛度變化。通過(guò)位置跟蹤系統(tǒng)，驗(yàn)證了該機(jī)械臂的活動(dòng)能力以及抓取能力，如圖6所示。

1.2.2 力學(xué)超材料柔性機(jī)械臂

近年來(lái)，力學(xué)超材料結(jié)構(gòu)的形狀變換成為新興研究熱點(diǎn)，使得力學(xué)超材料在軟體機(jī)器人、柔性電子設(shè)備等領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用潛力。力學(xué)超材料依據(jù)其變形方式與狀態(tài)可分為細(xì)梁、折紙和剪紙三大類。目前，在軟體機(jī)械臂領(lǐng)域應(yīng)用較多的是折紙結(jié)構(gòu)。折紙結(jié)構(gòu)由于其出色的結(jié)構(gòu)自適應(yīng)能力、大范圍運(yùn)動(dòng)能力及豐富的力學(xué)特性受到機(jī)器人學(xué)界的普遍關(guān)注。

Kresling折紙結(jié)構(gòu)具有扭轉(zhuǎn)—收縮的耦合運(yùn)動(dòng)模式[30]，Miura折紙結(jié)構(gòu)具有面內(nèi)的折展運(yùn)動(dòng)模式[31]，Yoshimura折紙結(jié)構(gòu)具有沿軸向的折展運(yùn)動(dòng)模式[32]。許多最新研究將折紙結(jié)構(gòu)與軟體機(jī)器人進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)更加豐富的運(yùn)動(dòng)模式與更大的工作空間。Wu Shuai等[33]提出了一種基于磁力驅(qū)動(dòng)與Kresling型折紙單元的軟體機(jī)械臂，可實(shí)現(xiàn)多模態(tài)變形，如圖7所示。單個(gè)折紙單元僅能通過(guò)面內(nèi)磁化實(shí)現(xiàn)折疊展開(kāi)功能或通過(guò)面外磁化實(shí)現(xiàn)周向彎曲功能，但當(dāng)結(jié)構(gòu)包含兩個(gè)以上折紙單元時(shí)，該結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)拉伸、壓縮、全周向彎曲及扭曲功能等。此外，團(tuán)隊(duì)分別設(shè)計(jì)了12單元和18單元的仿生機(jī)械臂，除了模擬章魚(yú)觸手可控伸縮與不同彎曲形態(tài)外，還展示了與觸手捕食功能相似的抓取和操作物體的能力。結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)具有十分靈活的自由度，通過(guò)改變單元的數(shù)目以及磁化方向，可滿足不同場(chǎng)景的功能需求。未來(lái)可用于開(kāi)發(fā)內(nèi)窺鏡、插管、導(dǎo)管等小型醫(yī)療設(shè)備。

Li Shuguang等[34]提出一個(gè)基于流體驅(qū)動(dòng)的柔性機(jī)械臂。該系統(tǒng)制備只需三部分：一個(gè)可壓縮的固體骨架、靈活封閉的皮膚和流體介質(zhì)。在這個(gè)系統(tǒng)中，皮膚將骨架結(jié)構(gòu)完全包裹，流體介質(zhì)用于骨骼和皮膚之間。在初始平衡狀態(tài)下，內(nèi)外流體的壓力相等。隨著內(nèi)部流體體積的改變，內(nèi)外的壓力差作用于骨架產(chǎn)生變形。通過(guò)不同材料及不同形狀的骨架結(jié)構(gòu)制備了不同尺度的柔性機(jī)械臂，實(shí)現(xiàn)了扭轉(zhuǎn)、彎曲、拉伸、壓縮等多種自由度的變形模式，如圖8所示。試驗(yàn)表明，該類機(jī)械臂可以達(dá)到90%的收縮率，且驅(qū)動(dòng)效率高、成本低。

Zhang Chao等[35]基于傳統(tǒng)的Kresling型折紙單元，增加了一個(gè)額外的對(duì)角線折痕，形成了一種新型折紙單元，如圖9所示。在該對(duì)角線折痕處集成一個(gè)微小氣囊，可以形成一個(gè)獨(dú)立控制的充氣—放氣單元。另外，每個(gè)單元結(jié)構(gòu)中均預(yù)留了螺栓孔，可以串聯(lián)形式呈現(xiàn)模塊數(shù)量可調(diào)的機(jī)械臂。對(duì)兩個(gè)以上的新型折紙單元進(jìn)行疊加可實(shí)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)、拉伸、壓縮、彎曲，以及基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)模式的任意組合。該機(jī)械臂可以任意流體介質(zhì)為驅(qū)動(dòng)單元，既可滿足陸地應(yīng)用，也可滿足水上應(yīng)用。

細(xì)梁結(jié)構(gòu)是力學(xué)超材料結(jié)構(gòu)的另一種重要表現(xiàn)形式，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)以其輕質(zhì)、高比強(qiáng)度、高比模量和較靈活的可設(shè)計(jì)性等特點(diǎn)被廣泛用于其他研究領(lǐng)域[36]。美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）將點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)用于飛翼布局無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)，成功地實(shí)現(xiàn)機(jī)翼可變形。Cheung等[37]提出了基于力學(xué)超材料的數(shù)字變形機(jī)翼概念，并通過(guò)單個(gè)扭轉(zhuǎn)碳管實(shí)現(xiàn)了機(jī)翼的主動(dòng)扭轉(zhuǎn)變形。此外，Jenett等[38]通過(guò)可逆裝配法用離散晶格完成機(jī)翼的組裝。這些研究工作表明，基于可逆裝配力學(xué)超材料結(jié)構(gòu)的變形結(jié)構(gòu)在加入驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)后，不僅具有輕量化和高可靠性的特點(diǎn)，而且可以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)變形，具有巨大的應(yīng)用潛力。

程基彬等[39]設(shè)計(jì)了以點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的柔性機(jī)械臂，如圖10所示，并通過(guò)分段常曲率假設(shè)建立胞元組合變形的數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)，通過(guò)力學(xué)超材料的調(diào)配設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)多重彎曲運(yùn)動(dòng)。最后通過(guò)實(shí)物試驗(yàn)驗(yàn)證了變形預(yù)測(cè)模型的有效性，完成了超過(guò)正負(fù)90°的彎曲并對(duì)末端周?chē)沫h(huán)境進(jìn)行探察，可應(yīng)用于復(fù)雜狹小空間的檢視。

綜上所述，無(wú)論是傳統(tǒng)軟體機(jī)械臂還是基于力學(xué)超材料結(jié)構(gòu)的柔性機(jī)械臂，其本質(zhì)均是一種具有彈性變形的機(jī)械臂，其均具有良好的環(huán)境適應(yīng)性、靈活性和安全性等特點(diǎn)。其可以適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境中的操作，如在狹窄空間進(jìn)行搜救、在危險(xiǎn)環(huán)境下進(jìn)行物體搬運(yùn)等。但柔性機(jī)械臂的剛度較低，容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疲勞，且精度受到彈性變形的影響，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中或受到外界干擾時(shí)，容易引起振動(dòng)問(wèn)題，從而降低控制精度，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差。

1.3 剛?cè)狁詈蠙C(jī)械臂

剛?cè)狁詈蠙C(jī)械臂是由剛性、柔性材料組合而成，剛性機(jī)械臂剛度大、精度高且承載能力強(qiáng)，柔性機(jī)械臂質(zhì)量輕、能耗低、韌性好，剛?cè)狁詈蠙C(jī)器人將兩種材料的優(yōu)點(diǎn)集于一身，具有廣闊的發(fā)展空間[40]。

高鐵紅[41]提出了一種面向于水面工作環(huán)境且具有一定負(fù)載能力的新型防水黽機(jī)器人，并進(jìn)行了仿真分析與物理樣機(jī)研制。結(jié)果表明，本文所提出的機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)輕巧、響應(yīng)速度較快、劃水效率高等特點(diǎn)，未來(lái)有望應(yīng)用于水體檢測(cè)、環(huán)境檢測(cè)及軍事偵察等任務(wù)。姚國(guó)林等[42]針對(duì)電子裝配精度與速度雙重需求，提出了一種通過(guò)柔性鉸鏈的變形補(bǔ)償軸承摩擦死區(qū)的剛?cè)狁詈详P(guān)節(jié)機(jī)器人概念設(shè)計(jì)；并在關(guān)節(jié)處引入彈簧模擬機(jī)械臂與柔性鉸鏈之間的彈性變形，建立動(dòng)力學(xué)模型，如圖11所示。通過(guò)相關(guān)數(shù)值仿真試驗(yàn)，驗(yàn)證了該理論模型的有效性。尹秋明等[43]為了抑制由柔性關(guān)節(jié)引起的振動(dòng)，提高剛?cè)狁詈蠙C(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)軌跡精度，推導(dǎo)出機(jī)械臂柔性關(guān)節(jié)和桿件的動(dòng)力學(xué)模型，尋找剛?cè)狁詈蠙C(jī)械臂關(guān)節(jié)阻尼參數(shù)與末端振動(dòng)位移的關(guān)系。結(jié)果表明，無(wú)論在高速還是低速下，柔性關(guān)節(jié)均對(duì)機(jī)械臂末端運(yùn)動(dòng)精度有不容忽略的影響。

Li Zheng等[44-45]提出了一種通過(guò)軟索驅(qū)動(dòng)的剛?cè)狁詈蠙C(jī)械臂，如圖12所示。該機(jī)械臂由球面關(guān)節(jié)和柔性骨架連接，以剛性節(jié)點(diǎn)作為脊柱、電線作為肌肉。該機(jī)械臂可看作蛇形機(jī)器人與連續(xù)體機(jī)器人的結(jié)合。其結(jié)構(gòu)呈蛇形，驅(qū)動(dòng)方式與連續(xù)體機(jī)器人相似。該機(jī)器人比傳統(tǒng)的蛇形機(jī)器人結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，比典型的連續(xù)體機(jī)器人定位精度更高。

隨著水下作業(yè)的隨機(jī)性和多樣化程度的增加，傳統(tǒng)的剛性機(jī)械臂無(wú)法完成柔軟樣品或脆弱的水生標(biāo)本采樣工作。Ji Hui等[46]以手腕為靈感，提出了一種基于水液壓驅(qū)動(dòng)的水下作業(yè)與探測(cè)擬人化柔性機(jī)械臂（ASM），如圖13所示。該機(jī)械臂由三個(gè)波紋管和一個(gè)主軸組成剛?cè)狁詈辖Y(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可完成連續(xù)的機(jī)械臂俯仰動(dòng)作。試驗(yàn)證明，所研制的剛?cè)狁詈蠙C(jī)械臂可適應(yīng)和抓取不同形狀與尺寸的物體。與傳統(tǒng)的剛性機(jī)械臂相比，ASM具有高度進(jìn)化的抓取能力及更好的靈活性和適應(yīng)性；與氣動(dòng)機(jī)械臂相比，ASM具有更好的負(fù)載能力。

Hu Yingbai等[47]開(kāi)發(fā)了一種新型剛?cè)狁詈峡谘适米訖C(jī)械臂，并集成了力傳感器，提供了安全、穩(wěn)定、可靠的采樣體驗(yàn)。未來(lái)可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)健性為重點(diǎn)研究方向，向臨床試驗(yàn)邁進(jìn)。Yang Yang等[48]以手指為靈感，研制了可變剛度的剛?cè)狁詈蠙C(jī)械臂。如圖14所示，該機(jī)械臂由柔性驅(qū)動(dòng)器和剛性骨架構(gòu)成，包含三個(gè)自由度。柔性驅(qū)動(dòng)器由硅橡膠制成，骨架結(jié)構(gòu)由用于骨段的丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）和用于手指關(guān)節(jié)的形狀記憶聚合物（SMP）兩種材料構(gòu)成。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)SMP關(guān)節(jié)的加熱溫度高于臨界溫度時(shí)，手指關(guān)節(jié)表現(xiàn)出非常小的剛度，可通過(guò)外力驅(qū)動(dòng)輕松彎曲。在沒(méi)有彎曲力的情況下，可在形狀記憶合金作用下恢復(fù)到原來(lái)的形狀。

針對(duì)柔性機(jī)械臂在操縱過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)問(wèn)題，Jing Xishuang等[49]提出了一種新型的具有冗余自由度的剛?cè)狁詈线B續(xù)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)，如圖15所示，并通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真和物理試驗(yàn)對(duì)該機(jī)械臂的設(shè)計(jì)有效性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，所提出的剛?cè)狁詈辖Y(jié)構(gòu)，可有效提高機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)剛度和承載能力。旋轉(zhuǎn)和彎曲關(guān)節(jié)組合的模塊化設(shè)計(jì)解耦了關(guān)節(jié)處的自由度，使控制邏輯更清晰。但這種機(jī)械臂的控制系統(tǒng)高度依賴預(yù)先確定的氣體壓力與彎曲角度之間的關(guān)系，需通過(guò)反饋控制和引入驅(qū)動(dòng)補(bǔ)償來(lái)提高控制精度。

目前，針對(duì)剛?cè)狁詈蠙C(jī)械臂的研究，主要集中在剛?cè)狁詈蠙C(jī)器人的動(dòng)力學(xué)建模與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，取得了一系列研究成果，但對(duì)其變形機(jī)理和控制的研究則不足。總體來(lái)說(shuō)，剛?cè)狁詈闲徒Y(jié)構(gòu)可通過(guò)內(nèi)部剛性機(jī)構(gòu)與柔性結(jié)構(gòu)相配合產(chǎn)生變形；該結(jié)構(gòu)雖然能較好地解決結(jié)構(gòu)的重量與變形問(wèn)題，但其變形精度仍有待提高。

2 機(jī)械臂設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

機(jī)械臂主要由機(jī)械臂本體、控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)三部分組成[50]。其中，機(jī)械臂本體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是機(jī)械臂設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，直接決定了該結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)維度、運(yùn)動(dòng)方式、動(dòng)態(tài)精度及效率等。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是決定機(jī)械臂性能的主要指標(biāo)，直接影響機(jī)械臂的動(dòng)力特性、運(yùn)行效率及其經(jīng)濟(jì)性。控制系統(tǒng)相當(dāng)于機(jī)械臂的大腦，是整個(gè)機(jī)械臂設(shè)計(jì)的核心。早期，對(duì)機(jī)械臂控制的設(shè)計(jì)大多以點(diǎn)到點(diǎn)為主，主要應(yīng)用于對(duì)精度要求不高的場(chǎng)合。隨著應(yīng)用場(chǎng)景的復(fù)雜化及工藝水平需求的提高，現(xiàn)在的機(jī)械臂更追求高精度的跟蹤控制。

2.1 機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

國(guó)內(nèi)外針對(duì)機(jī)械臂開(kāi)展了大量研究，并取得了一些積極的進(jìn)展。從剛性角度分析，其可分為剛性機(jī)械臂、剛?cè)狁詈蠙C(jī)械臂和柔性機(jī)械臂三類。剛性機(jī)械臂由各個(gè)關(guān)節(jié)組合而成，各個(gè)關(guān)節(jié)之間可通過(guò)相對(duì)滑動(dòng)或相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)軌跡運(yùn)動(dòng)，其特點(diǎn)是變形精度高、承載能力強(qiáng)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量問(wèn)題無(wú)法避免。剛?cè)狁詈蠙C(jī)械臂通過(guò)剛性結(jié)構(gòu)與柔性結(jié)構(gòu)相配合產(chǎn)生變形，可較好地協(xié)調(diào)高負(fù)重與變形之間的矛盾，但其變形精度仍有待提高。近年來(lái)，柔性機(jī)械臂研究更為廣泛，主要分為兩種：一種是基于傳統(tǒng)軟體材料（橡膠、硅膠）的柔性機(jī)械臂，另一種是基于力學(xué)超材料結(jié)構(gòu)（折紙）的機(jī)械臂，其本質(zhì)均是一種具有彈性變形的機(jī)械臂，均具有良好的靈活性和安全性等特點(diǎn)。但柔性機(jī)械臂的剛度較低，容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疲勞，且精度受到彈性變形的影響，容易引起振動(dòng)問(wèn)題，導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差。研究表明，基于復(fù)合材料的點(diǎn)陣胞元結(jié)構(gòu)具有高比強(qiáng)度、高比剛度、可編程設(shè)計(jì)等優(yōu)勢(shì)，通過(guò)主動(dòng)智能變形及變胞元融合等設(shè)計(jì)概念有望實(shí)現(xiàn)多模態(tài)自適應(yīng)變形的柔性機(jī)械臂，以滿足不同的空間運(yùn)動(dòng)需求。

2.2 機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)方案的設(shè)計(jì)方法

驅(qū)動(dòng)方法決定了機(jī)械臂完成預(yù)設(shè)動(dòng)作的方式。傳統(tǒng)機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)方式有電機(jī)傳動(dòng)[51]、液壓傳動(dòng)[52]和氣壓傳動(dòng)[53]等。伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，原理是當(dāng)電流通過(guò)電機(jī)時(shí)產(chǎn)生電磁力，電磁力驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生機(jī)械能，帶動(dòng)機(jī)械臂工作。其優(yōu)勢(shì)在于運(yùn)動(dòng)速度相對(duì)較快、行程長(zhǎng)、維護(hù)和使用比較方便。但部件笨重，限制了整個(gè)系統(tǒng)的靈活性和柔軟性。液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)油液壓力完成機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)。它結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)過(guò)程較為平穩(wěn)，抓重可達(dá)幾百千克； 缺點(diǎn)是對(duì)設(shè)備的密封性及精度要求高，且不適于在高溫或低溫環(huán)境下工作。氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)氣體壓縮產(chǎn)生壓力來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。其優(yōu)點(diǎn)是易于獲取動(dòng)力源、成本低；缺點(diǎn)是工作穩(wěn)定性差、抓取力不大，適于在高速、輕載的環(huán)境下工作。

對(duì)于柔性機(jī)械臂，為了使其具備更靈活的變形能力，滿足人機(jī)交互的安全準(zhǔn)則，上述的驅(qū)動(dòng)方式不再適用。針對(duì)這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了許多創(chuàng)新型研究，如繩索驅(qū)動(dòng)[54]、形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)[55]和磁驅(qū)動(dòng)等[56]。繩索驅(qū)動(dòng)是通過(guò)改變繩索長(zhǎng)度驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的，該驅(qū)動(dòng)方法的特點(diǎn)是：（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制造維護(hù)；（2）傳動(dòng)效率高，適用于低速、高扭矩傳動(dòng)；（3）可以根據(jù)不同的功能及不同的場(chǎng)合設(shè)計(jì)不同的排列方式，滿足不同傳動(dòng)功率的需求。但精度較低，且繩索易磨損、斷裂，需經(jīng)常檢修。形狀記憶合金（SMA）驅(qū)動(dòng)通過(guò)加熱或通電使材料內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力或應(yīng)變，促使柔性機(jī)械臂產(chǎn)生變形。它的優(yōu)點(diǎn)是記憶合金可完全與材料融合，無(wú)須額外的電機(jī)等傳動(dòng)設(shè)備，是未來(lái)最有望實(shí)現(xiàn)的一種一體化設(shè)計(jì)，應(yīng)用前景十分廣闊。但由于受SMA本身變形機(jī)理的限制，其難以實(shí)現(xiàn)高精度，且容易受到溫度影響。磁驅(qū)動(dòng)柔性機(jī)械臂是利用磁場(chǎng)的作用力來(lái)驅(qū)動(dòng)柔性機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的。磁驅(qū)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)高速和高精度的運(yùn)動(dòng)控制，響應(yīng)速度快，并且能夠在液體中操作。但磁性部件的制造較為麻煩，需要磁化處理，薄膜涂覆或組裝步驟。磁性部件通常不具備生物相容性，無(wú)法在人體中長(zhǎng)期使用。

2.3 機(jī)械臂控制策略的設(shè)計(jì)方法

機(jī)械臂的控制系統(tǒng)是典型的非線性控制系統(tǒng)，為了實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂跟蹤控制系統(tǒng)的快速跟蹤性、穩(wěn)定性和定位準(zhǔn)確性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量研究。常見(jiàn)的機(jī)械臂控制方法有比例積分微分控制（PID）[57]、滑模控制（SMC）[58]、自適應(yīng)控制（ACS）[59]、反演控制（BC）[60]、模糊控制（FC）[61]及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制（NPC）[62]。PID是按給定值與實(shí)際輸出值偏差的比例、積分、微分控制。這一控制方法的優(yōu)勢(shì)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性較強(qiáng)、不依賴于系統(tǒng)的具體模型；但依據(jù)于經(jīng)驗(yàn)調(diào)整參數(shù)，只能對(duì)系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行控制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)功能等。滑模控制又被稱作變結(jié)構(gòu)控制，是一類特殊的非線性控制，可依據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)自動(dòng)變化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該控制法能夠克服系統(tǒng)的不確定性，且算法簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度快； 缺點(diǎn)是由于該方法本身不具備連續(xù)性，所以在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生抖振。因此，滑模控制常常與自適應(yīng)控制等方法結(jié)合起來(lái)使用。自適應(yīng)控制系統(tǒng)可依據(jù)受控對(duì)象自身參數(shù)或周?chē)h(huán)境變化自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)控制參數(shù)，改善控制效果。其優(yōu)點(diǎn)是不需要精確的數(shù)學(xué)模型，有較強(qiáng)的容錯(cuò)能力，魯棒性強(qiáng)；缺點(diǎn)是這種自適應(yīng)系統(tǒng)無(wú)法保證整個(gè)控制系統(tǒng)的指數(shù)穩(wěn)定性，也難以分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)及收斂性。

反演控制是一種層疊設(shè)計(jì)的方法，將復(fù)雜的非線性系統(tǒng)分解成多個(gè)更簡(jiǎn)單和低階的系統(tǒng)，然后選擇適當(dāng)?shù)腖yapunov函數(shù)來(lái)保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的全局調(diào)節(jié)和有效控制。其優(yōu)點(diǎn)是具有系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)化的特點(diǎn)，且響應(yīng)速度較快；但對(duì)模型的精度要求較高，難以克服外加的擾動(dòng)，且計(jì)算量呈爆炸式增長(zhǎng)，限制了其在實(shí)際中的廣泛應(yīng)用。在傳統(tǒng)控制領(lǐng)域，控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模式的精確性直接決定了控制系統(tǒng)性能，動(dòng)態(tài)信息越詳細(xì)，控制越精確；然而當(dāng)變量數(shù)過(guò)多時(shí)，往往難以準(zhǔn)確描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)，研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)模糊控制可較好地解決該問(wèn)題。其優(yōu)點(diǎn)是工作范圍寬、適用范圍廣，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過(guò)程較為簡(jiǎn)單，適合非線性系統(tǒng)的控制，不依賴于數(shù)學(xué)模型，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)或數(shù)據(jù)收集也可解決控制任務(wù)。但是，該方法也存在一些缺點(diǎn)，如需要設(shè)定模糊規(guī)則，對(duì)于復(fù)雜的系統(tǒng)，模糊規(guī)則的設(shè)計(jì)和優(yōu)化同樣困難；同時(shí)，控制精度不如預(yù)測(cè)控制方法準(zhǔn)確。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制模仿人腦建立起來(lái)的控制系統(tǒng)具備較強(qiáng)的非線性輸入輸出映射能力。它的優(yōu)點(diǎn)是具有較強(qiáng)的抗干擾性，自我學(xué)習(xí)能力強(qiáng)，能夠控制各種復(fù)雜的非線性系統(tǒng)；但是也存在收斂速度慢，甚至發(fā)散或是局部最優(yōu)的情況。

綜上所述，隨著科技的不斷發(fā)展，機(jī)械臂作為空間操縱的重要裝備，具有廣闊的應(yīng)用前景，極大地推動(dòng)了國(guó)家經(jīng)濟(jì)與科研水平的發(fā)展。隨著人工智能、大數(shù)據(jù)等前沿技術(shù)的興起，許多新型設(shè)計(jì)方法、控制策略和驅(qū)動(dòng)方法被引入仿生機(jī)械臂中，為其發(fā)展帶來(lái)了新的機(jī)遇與可能。

3 機(jī)械臂在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著航空航天領(lǐng)域的快速發(fā)展，機(jī)械臂應(yīng)用前景越來(lái)越廣闊。在航空領(lǐng)域，機(jī)械臂不僅可以完成點(diǎn)膠、噴涂、熱處理、搬運(yùn)等作業(yè)，還可進(jìn)行鉆孔、檢測(cè)、在線監(jiān)測(cè)、無(wú)損探傷等特種作業(yè)。在航天領(lǐng)域，空間機(jī)械臂已然成為各國(guó)重點(diǎn)發(fā)展的方向。作為各類航天器在軌支持、服務(wù)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，空間機(jī)械臂可協(xié)助人類或代替人類完成危險(xiǎn)、復(fù)雜的太空任務(wù)，如空間站的建造、維修、燃料補(bǔ)給，太空垃圾的抓取、捕獲及星球探測(cè)試驗(yàn)等。

3.1 機(jī)械臂在航空領(lǐng)域的應(yīng)用

在航空領(lǐng)域亟須一種結(jié)構(gòu)靈巧且多自由度的機(jī)械臂去完成復(fù)雜的修理和檢查工作的迫切需求下，翟士民等[63]提出了一種基于電機(jī)與繩索驅(qū)動(dòng)的連續(xù)型仿生柔性機(jī)械臂方案，該方案主要由布置驅(qū)動(dòng)裝置的橡膠墊片和多組具有旋轉(zhuǎn)功能的球鉸單元組成，如圖16所示。該結(jié)構(gòu)整體的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕質(zhì)、靈活可靠性高等，具有較高的自由度。

針對(duì)民航飛機(jī)油箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、空間狹小及作業(yè)環(huán)境危險(xiǎn)惡劣但需及時(shí)進(jìn)行人工安全檢查等問(wèn)題，高慶吉等[64]提出了一種基于線纜驅(qū)動(dòng)的連續(xù)型仿生柔性機(jī)械臂方案，如圖17所示，并通過(guò)相關(guān)仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證了該連續(xù)型機(jī)械臂的空間運(yùn)動(dòng)能力。賈玻[65]針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)、飛機(jī)油箱、核電站管道等復(fù)雜狹小的空間環(huán)境，提出了一種基于繩驅(qū)的超冗余蛇形機(jī)械臂方案，并制作了原理樣機(jī)對(duì)蛇形機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，該蛇形臂可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜且靈活的空間運(yùn)動(dòng)。

為了滿足不斷增長(zhǎng)的空中作業(yè)需求，無(wú)人飛行器研究領(lǐng)域得到快速發(fā)展。傳統(tǒng)的飛行器需搭載剛性機(jī)械臂來(lái)完成抓取、操縱等工作，但其質(zhì)量大，所需的驅(qū)動(dòng)耗能過(guò)高。因此，需提出一種新型面向無(wú)人機(jī)的輕質(zhì)仿生柔性機(jī)械臂。Zhao Jinbo等[66]針對(duì)這種無(wú)人機(jī)平臺(tái)，提出了一種新型的繩驅(qū)機(jī)械臂，在降能和延時(shí)方面有一定的效果，但其控制系統(tǒng)較為復(fù)雜。王堯堯等[67]針對(duì)復(fù)雜的空中作業(yè)需求，提出了一種面向旋翼的仿生柔性機(jī)械臂方案，如圖18所示，其通過(guò)繩索的伸長(zhǎng)與縮短模擬章魚(yú)的收縮與舒張，控制臂身的轉(zhuǎn)動(dòng)與抓取。通過(guò)試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)該機(jī)械臂的性能進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，面向旋翼飛行器的仿生機(jī)械臂具有較低的能耗及較高的交互安全性。

綜上所述，面向航空飛行器的仿生機(jī)械臂必須朝著輕質(zhì)、低能耗、多自由度、小體積的方向發(fā)展。因此，必須從結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)控制上加強(qiáng)優(yōu)化，輕量模塊化的設(shè)計(jì)方法、智能避撞控制技術(shù)、高精度的定位功能成為新一代航空機(jī)械臂應(yīng)具備的三大關(guān)鍵技術(shù)。

3.2 機(jī)械臂在航天領(lǐng)域的應(yīng)用

空間機(jī)械臂已然成了各國(guó)重點(diǎn)發(fā)展的方向。作為各類航天器在軌支持、服務(wù)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，空間機(jī)械臂可協(xié)助人類或代替人類完成危險(xiǎn)、復(fù)雜的太空任務(wù)，如空間站的建造、維修、燃料補(bǔ)給，太空垃圾的抓取、捕獲及星球探測(cè)試驗(yàn)等。為了保證空間機(jī)械臂能安全、可靠、有效地完成太空任務(wù)，機(jī)械臂除了具備必要的安全性、穩(wěn)定性和靈活性之外，還需具備足夠高的運(yùn)動(dòng)精度、魯棒性及順應(yīng)性。考慮到空間環(huán)境下燃料較為寶貴，目前，空間機(jī)械臂的主要運(yùn)行動(dòng)力來(lái)源于太陽(yáng)能電池板和攜帶的儲(chǔ)備電源。因此，新一代的空間機(jī)械臂需要朝著輕量化、柔性化方向發(fā)展。

空間機(jī)械臂通常為細(xì)長(zhǎng)桿件，在空間作業(yè)時(shí)，其振動(dòng)特性與變形顯得十分明顯，對(duì)于其精確操作會(huì)產(chǎn)生不容忽略的影響。毛志剛[68]以撓性空間機(jī)械臂為對(duì)象，對(duì)其剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)與振動(dòng)抑制控制策略進(jìn)行研究。結(jié)果表明，基于動(dòng)力補(bǔ)償?shù)目刂品椒苡行У馗櫰谕壽E，同時(shí)能起到抑制振動(dòng)的效果。耿仕能等[69]針對(duì)空間機(jī)械臂在碰撞過(guò)程中產(chǎn)生的破壞與沖擊問(wèn)題，提出一種可變剛度絲驅(qū)動(dòng)連續(xù)型機(jī)械臂方案，并通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證了該機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)精度及剛度調(diào)節(jié)能力。

朱曉俊等[70]針對(duì)繩驅(qū)超冗余空間柔性機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并研制了適應(yīng)多種工況的遙操作人機(jī)交互系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)柔性機(jī)械臂在大范圍空間的快速運(yùn)動(dòng)，還可在有障礙的狹小空間內(nèi)完成精細(xì)的操作任務(wù)，并通過(guò)圖19所示的衛(wèi)星壁板展開(kāi)試驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的工程實(shí)用性。

趙智遠(yuǎn)等[71]提出了一種新型的具有兩個(gè)被動(dòng)式伸縮臂桿的空間站遙控機(jī)械臂系統(tǒng)（SSRMS）。相比于傳統(tǒng)關(guān)節(jié)型機(jī)械臂，該機(jī)械臂具有更為簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)組成及更可靠的重構(gòu)方式，可有效滿足復(fù)雜多樣化的在軌需求。

綜上所述，現(xiàn)有的在役空間機(jī)械臂通常具有大結(jié)構(gòu)尺寸、多自由度、模塊化關(guān)節(jié)、多臂協(xié)同操作等特點(diǎn)。這種機(jī)械臂正向關(guān)節(jié)輕量化、一體化的方向發(fā)展。目前，空間機(jī)械臂的在軌服役操控技術(shù)還存在較多挑戰(zhàn)，如提高末端執(zhí)行器的穩(wěn)定性、可靠性，使整個(gè)機(jī)械臂朝著輕量化發(fā)展；將人工智能技術(shù)引入空間機(jī)械臂設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)自主可控操作。

4 結(jié)論

仿生機(jī)械臂的設(shè)計(jì)與應(yīng)用是未來(lái)智能制造最重要的發(fā)展方向之一。通過(guò)研究，本文得出以下結(jié)論：

（1） 基于剛性結(jié)構(gòu)的機(jī)械臂發(fā)展成熟，穩(wěn)定性好、精度高。但其缺點(diǎn)也較為突出，如難以滿足障礙物躲避及靈巧作業(yè)的需求。

（2） 柔性機(jī)械臂具有良好的環(huán)境適應(yīng)性、靈活性和安全性，可在狹窄空間進(jìn)行搜救、搬運(yùn)等操作。但柔性機(jī)械臂的剛度較低，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中容易引起振動(dòng)問(wèn)題，降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（3） 基于力學(xué)超材料的柔性機(jī)械臂方案，可通過(guò)構(gòu)建變幾何的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，并嵌入智能作動(dòng)系統(tǒng)，在不同空間位置布置力學(xué)性能不同的胞元結(jié)構(gòu)，理論上可實(shí)現(xiàn)任意一種變形需求。剛?cè)狁詈蠙C(jī)械臂雖然能較好地解決結(jié)構(gòu)的重量與變形問(wèn)題，但其變形精度仍有待提高。

本文從機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法、機(jī)械臂仿生設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)方法及控制策略角度闡述了機(jī)械臂設(shè)計(jì)制造中的關(guān)鍵技術(shù)，并著重闡述了仿生柔性機(jī)械臂在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用。當(dāng)前，機(jī)械臂的設(shè)計(jì)正朝著結(jié)構(gòu)輕量化、一體化的方向發(fā)展。未來(lái)將人工智能技術(shù)引入仿生機(jī)械臂設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)自主可控操作。

參考文獻(xiàn)

[1]王劍，李成剛，岳云雙，等.面向航天器零部件裝配的機(jī)械臂混合控制策略[J].航空科學(xué)技術(shù)，2022，33（2）：90-96. Wang Jian， Li Chenggang， Yue Yunshuang， et al. Hybrid con‐trol strategy of robot arm for spacecraft component assembly[J]. Aeronautical Science Technology， 2022，33（2）：90-96. （in Chinese）

[2]Ray Y， Xun Xu， Klotz E， et al. Intelligent manufacturing in the context of industry 4.0： A review[J]. Engineering， 2017， 3（5）： 616-630.

[3]Jamshidi M B， Lalbakhsh A， Alibeigi N， et al. Socialization of industrial robots： An innovative solution to improve productivity[C].2018 IEEE 9th Annual Information Technology， Electronics and Mobile Communication Conference （IEMCON）. IEEE，2018： 832-837.

[4]Zemmar A， Lozano A M， Nelson B J. The rise of robots in surgical environments during COVID-19[J]. Nature Machine Intelligence， 2020， 2（10）： 566-572.

[5]Almurib H A F， Al-Qrimli H F， Kumar N. A review of application industrial robotic design[C].2011 Ninth International Conference on ICT and Knowledge Engineering. IEEE， 2012： 105-112.

[6]Ginoya T， Maddahi Y， Zareinia K. A historical review of medical robotic platforms[J]. Journal of Robotics， 2021， 2021： 1-13.

[7]Phillips B T， Becker K P， Kurumaya S， et al. A dexterous， glove-based teleoperable low-power soft robotic arm for delicate deep-sea biological exploration[J]. Scientific Reports， 2018， 8（1）： 14779.

[8]Gao Y， Chien S. Review on space robotics： Toward top-level science through space exploration[J]. Science Robotics， 2017， 2（7）： 5074.

[9]Hancher M D， Hornby G S. A modular robotic system with applications to space exploration[C]. 2nd IEEE International Conference on Space Mission Challenges for Information Technology （SMC-IT’06）. IEEE， 2006： 124-132.

[10]Ellery A， Kreisel J， Sommer B. The case for robotic on-orbit servicing of spacecraft： Spacecraft reliability is a myth[J]. Acta Astronautica， 2008， 63（5-6）： 632-648.

[11]Henshaw C G. The DARPA phoenix spacecraft servicing program： Overview and plans for risk reduction[C]. International Symposium on Artificial Intelligence， Robotics and Automation in Space， 2014.

[12]孫悅. 柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂軌跡跟蹤與振動(dòng)抑制方法研究[D].沈陽(yáng)：沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，2019. Sun Yue. Research on trajectory tracking and vibration suppression of flexible joint manipulator [D]. Shenyang： Shenyang University of Technology，2019. （in Chinese）

[13]Rus D， Tolley M T. Design， fabrication and control of soft robots[J]. Nature， 2015， 521（7553）： 467-475.

[14]Merlet J P. A historical perspective of robotics[C].International Symposium on History of Machines and Mechanisms Proceedings HMM 2000， 2000： 379-386.

[15]Gruver W A， Soroka B I， Craig J J， et al. Industrial robot programming languages： A comparative evaluation[J]. IEEE Transactions on Systems， Man， and Cybernetics， 1984 （4）： 565-570.

[16]趙惠. 基于改進(jìn)RRT的機(jī)械臂路徑規(guī)劃算法研究[D].青島：青島科技大學(xué)，2022. Zhao Hui. Research on path planning algorithm of robot arm based on improved RRT [D]. Qingdao： Qingdao University of Science and Technology，2022. （in Chinese）

[17]Makino H. Development of the SCARA[J]. Journal of Robotics and Mechatronics， 2014， 26（1）： 5-8.

[18]Asada H， Kanade T. Design of direct-drive mechanical arms[J]. Journal of Vibration and Acoustics， 1983，105：312-320.

[19]Jun O， Ryuji T， Tsuyoshi H， et al.Control of a direct-drive arm using novel repetitive control[J].IEEJ Transactions on Sensors Micromachines， 1993， 113（8）：961-969.

[20]馬慧超. 剛性機(jī)械臂位置與力混合自適應(yīng)控制研究[D].青島：中國(guó)石油大學(xué)（華東），2013. Ma Huichao. Research on hybrid adaptive control of rigid manipulator’s position and force [D]. Qingdao： China University of Petroleum （East China），2013. （in Chinese）

[21]Pernette E， Henein S， Magnani I， et al. Design of parallel robots in microrobotics[J]. Robotica， 1997， 15（4）： 417-420.

[22]H？gele M， Nilsson K， Pires J N， et al. Industrial robotics[J]. Springer Handbook of Robotics， 2016： 1385-1422.

[23]Dwivedy S K， Eberhard P. Dynamic analysis of flexible manipulators， a literature review[J]. Mechanism and Machine Theory， 2006， 41（7）： 749-777.

[24]Lochan K， Roy B K， Subudhi B. A review on two-link flexible manipulators[J]. Annual Reviews in Control， 2016， 42： 346-367.

[25]Wei Dunwen， Gao Tao， Mo Xiaoquan， et al. Flexible biotensegrity manipulator with multi-degree of freedom and variable structure[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering， 2020， 33（1）： 1-11.

[26]Cianchetti M， Ranzani T， Gerboni G， et al. STIFF-FLOP surgical manipulator： Mechanical design and experimental characterization of the single module[C]. 2013 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. IEEE， 2013： 3576-3581.

[27]Wang Peiyi， Tang Zhiqiang， Xin Wenci， et al. Design and experimental characterization of a push-pull flexible rod-driven soft-bodied robot[J]. IEEE Robotics and Automation Letters， 2022， 7（4）： 8933-8940.

[28]Jiang Hao， Liu Xinghua， Chen Xiaotong， et al. Design and simulation analysis of a soft manipulator based on honeycomb pneumatic networks[C]. 2016 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics （ROBIO）. IEEE， 2016： 350-356.

[29]De Falco I， Cianchetti M， Menciassi A. A soft multi-module manipulator with variable stiffness for minimally invasive surgery[J]. Bioinspiration biomimetics， 2017， 12（5）： 056008.

[30]Liu Shuai， Yang Qingsheng， Tao Ran， et al. A highlycompressible， torsion-contraction coupling and selftransforming cylindrical bi-material metastructure[J]. Smart Materials and Structures， 2020， 29（2）： 025016.

[31]Schenk M， Allwood J M， Guest S D. Cold gas-pressure folding of miura-ori sheets[C].Steel Research International， Special Is‐sue Proceedings of the International Conference on Technology of Plasticity （ICTP）， 2011.

[32]Zhang Qiwei， Fang Hongbin， Xu Jian. Yoshimura-origami based earthworm-like robot with 3-dimensional locomotion capability[J]. Frontiers in Robotics and AI， 2021， 8： 738214.

[33]Wu Shuai， Ze Qiji， Dai Jize， et al. Stretchable origami robotic arm with omnidirectional bending and twisting[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences， 2021， 118（36）： e2110023118.

[34]Li Shuguang， Vogt D M， Rus D， et al. Fluid-driven origamiinspired artificial muscles[J]. Proceedings of the National academy of Sciences， 2017， 114（50）： 13132-13137.

[35]Zhang Chao， Zhang Zhuang， Peng Yun， et al. Plug play origami modules with all-purpose deformation modes[J]. Nature Communications， 2023， 14（1）： 4329.

[36]Zheng Xiaoyu， Lee H， Weisgraber T H， et al. Ultralight， ultrastiff mechanical metamaterials[J]. Science， 2014， 344（6190）： 1373-1377.

[37]Cheung K C， Gershenfeld N. Reversibly assembled cellular composite materials[J]. science， 2013， 341（6151）： 1219-1221.

[38]Jenett B， Cameron C， Tourlomousis F， et al. Discretely assembled mechanical metamaterials[J]. Science Advances， 2020， 6（47）： 9943.

[39]程基彬，戴寧，郭培，等. 基于力學(xué)超材料的柔性機(jī)械臂設(shè)計(jì)技術(shù)[J]. 中國(guó)機(jī)械工程，2023，34（16）：1900-1906. Cheng Jibin， Dai Ning， Guo Pei， et al. Design technology of flexible manipulator based on mechanical metamaterials [J]. China Mechanical Engineering，2023，34（16）：1900-1906.（in Chinese）

[40]林沖，王剛，徐麗莎，等.剛?cè)狁詈蠙C(jī)械臂的滑模預(yù)測(cè)振動(dòng)控制研究[J].噪聲與振動(dòng)控制，2022，42（4）：58-63. Lin Chong， Wang Gang， Xu Lisha， et al. Research on sliding mode predictive vibration control of rigid-flexible coupling manipulator [J]. Noise and Vibration Control， 2022， 42（4）：58-63. （in Chinese）

[41]高鐵紅. 仿水黽機(jī)器人機(jī)構(gòu)及性能分析研究[D].天津：河北工業(yè)大學(xué)，2008. Gao Tiehong. Research on mechanism and performance analysis of water strider robot [D]. Tianjin： Hebei University of Technology，2008. （in Chinese）

[42]姚國(guó)林，王合闖，張文，等.剛?cè)狁詈详P(guān)節(jié)SCARA機(jī)器人的雙柔性動(dòng)力學(xué)模型[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2023（5）：58-63. Yao Guolin， Wang Hechuang， Zhang Wen， et al. Dual flexibility dynamic model of rigid-flexible joint SCARA robot[J]. Combined Machine Tool and Automatic Processing Technology， 2023（5）：58-63. （in Chinese）

[43]尹秋明，范紀(jì)華，諶宏，等.考慮柔性關(guān)節(jié)的剛?cè)狁詈蠙C(jī)械臂的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2018（2）：17-20. Yin Qiuming， Fan Jihua， Chen Hong， et al. Considering the flexible joint of the coupled optimization design of mechanical arm [J]. Combination Machine Tool and Automatic Processing Technology， 2018 （2） ： 17-20. （in Chinese）

[44]Li Zheng， Du Ruxu. Design and analysis of a bio-inspired wiredriven multi-section flexible robot[J]. International Journal of Advanced Robotic Systems， 2013， 10（4）： 209.

[45]Li Zheng， Du Ruxu. Design and analysis of a biomimetic wiredriven robot arm[C].ASME International Mechanical Engineer‐ing Congress and Exposition， 2011：191-198.

[46]Ji Hui， Lan Yu， Nie Songlin， et al. Development of an anthropomorphic soft manipulator with rigid-flexible coupling for underwater adaptive grasping[J]. Soft Robotics， 2023， 10（6）： 1070-1082.

[47]Hu Yingbai， Li Jian， Chen Yongquan， et al. Design and control of a highly redundant rigid-flexible coupling robot to assist the COVID-19 oropharyngeal-swab sampling[J]. IEEE Robotics and Automation Letters， 2021， 7（2）： 1856-1863.

[48]Yang Yang， Chen Yonghua， Wei Ying， et al. Novel design and three-dimensional printing of variable stiffness robotic grippers[J]. Journal of Mechanisms and Robotics， 2016， 8（6）： 061010.

[49]Jing Xishuang， Jiang Jiayu， Xie Fubao， et al. Continuum manipulator with rigid-flexible coupling structure[J]. IEEE Robotics and Automation Letters， 2022， 7（4）： 11386-11393.

[50]鄒永濤. 面向具有狀態(tài)約束的剛性機(jī)械臂自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制[D]. 廣州：華南理工大學(xué)，2019. Zou Yongtao. Adaptive neural network control for rigid manipulator with state constraints [D]. Guangzhou： South China University of Technology，2019. （in Chinese）

[51]Mariappan M， Ganesan T， Iftikhar M， et al. A design methodology of a flexible robotic arm vision system for OTOROB[C]. 2010 International Conference on Mechanical and Electrical Technology. IEEE， 2010： 161-164.

[52]Li Guang， Khajepour A. Robust control of a hydraulically driven flexible arm using backstepping technique[J]. Journal of Sound and Vibration， 2005， 280（3-5）： 759-775.

[53]Mosadegh B， Polygerinos P， Keplinger C， et al. Pneumatic networks for soft robotics that actuate rapidly[J]. Advanced Functional Materials， 2014， 24（15）： 2163-2170.

[54]Do T N， Tjahjowidodo T， Lau M W S， et al. Real-time enhancement of tracking performances for cable-conduit mechanisms-driven flexible robots[J]. Robotics and Computerintegrated Manufacturing， 2016， 37： 197-207.

[55]Takashima K， Rossiter J， Mukai T. McKibben artificial muscle using shape-memory polymer[J]. Sensors and Actuators A： Physical， 2010， 164（1-2）： 116-124.

[56]Li Xuerong， Bai Shaoping， Chen Weihai， et al. Integrated design and modelling of an electro-magnets driven spherical parallel manipulator[C]. 2017 IEEE International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics （AIM）. IEEE， 2017： 1209-1214.

[57]Jain S， Chhabra A， Student M T. Control for robotic manipula‐tors with proportional integral derivative computed torque control[J]. International Journal of Advances in Engineering Sciences， 2014， 4（2）： 8-11.

[58]Man Zhihong， Paplinski A P. A robust MIMO terminal sliding mode control scheme for rigid robotic manipulators[J]. IEEE Transactions on Automatic Control， 1994， 39（12）： 2464-2469.

[59]Wang Hanlei. Adaptive control of robot manipulators with uncertain kinematics and dynamics[J]. IEEE Transactions on Automatic Control， 2016， 62（2）： 948-954.

[60]Guo Qing， Zhang Yi， Celler B G， et al. Neural adaptive backstepping control of a robotic manipulator with prescribed performance constraint[J]. IEEE Transactions on Neural Networks and Learning Systems， 2018， 30（12）： 3572-3583.

[61]Tian Lianfang， Collins C. Adaptive neuro-fuzzy control of a flexible manipulator[J]. Mechatronics， 2005， 15（10）： 1305-1320.

[62]He Wei， Huang Haifeng， Ge S S. Adaptive neural network control of a robotic manipulator with time-varying output constraints[J]. IEEE Transactions on Cybernetics， 2017， 47（10）： 3136-3147.

[63]翟士民，劉榮，薛彤.繩驅(qū)動(dòng)連續(xù)型機(jī)械臂設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2015（2）：119-121. Zhai Shimin， Liu Rong， Xue Tong. Design of continuous ropedriven manipulator[J]. Mechanical Engineering Automation， 2015（2）：119-121. （in Chinese）

[64]高慶吉，王維娟，牛國(guó)臣，等.飛機(jī)油箱檢查機(jī)器人的仿生結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)學(xué)研究[J].航空學(xué)報(bào)，2013，34（7）：1748-1756. Gao Qingji， Wang Weijuan， Niu Guochen， et al. Research on bionic structure and kinematics of aircraft fuel tank inspection robot[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2013， 34（7）： 1748-1756. （in Chinese）

[65]賈玻.基于繩驅(qū)的超冗余蛇形臂機(jī)器人設(shè)計(jì)及控制研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2019. Jia Bo. Design and control research of super-redundant snake arm robot based on rope drive [D]. Harbin： Harbin Institute of Technology， 2019. （in Chinese）

[66]Zhao Jinbo， Wang Yaoyao， Wang Dan， et al. Practical continuous nonsingular terminal sliding mode control of a cable-driven manipulator developed for aerial robots[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part I： Journal of Systems and Control Engineering， 2020， 234（9）： 1011-1023.

[67]王堯堯，劉盧芳，鞠鋒，等.面向旋翼飛行器的仿生機(jī)械臂終端滑模控制[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)，2022，53（2）：471-481. Wang Yaoyao， Liu Lufang， Ju Feng，et al. Biomimetic manipu‐lator terminal sliding mode control for rotorcraft [J]. Journal of Central South University，2022，53（2）：471-481. （in Chinese）

[68]毛志剛. 撓性空間機(jī)械臂剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)與控制研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012. Mao Zhigang. Research on rigid-flexible coupling dynamics and control of flexible space manipulator[D]. Harbin： Harbin Institute of Technology，2012. （in Chinese）

[69]耿仕能，王友漁，陳麗莎，等.變剛度連續(xù)型機(jī)械臂設(shè)計(jì)與控制[J].宇航學(xué)報(bào)，2018，39（12）：1391-1400. Geng Shineng， Wang Youyu， Chen Lisha， et al. Design and control of continuous manipulator with variable stiffness [J]. Journal of Astronautics， 2018，39（12）： 1391-1400. （in Chinese）

[70]朱曉俊，王學(xué)謙，馬云萱，等. 繩驅(qū)超冗余空間柔性機(jī)械臂遙操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究[J].機(jī)器人，2022，44（1）：9-18. Zhu Xiaojun， Wang Xueqian， Ma Yunxuan， et al. Design and experimental study of teleoperation system for rope driven super-redundant space flexible manipulator[J]. Robot，2022，44（1）：9-18. （in Chinese）

[71]趙智遠(yuǎn)，楊曉航，徐梓淳，等. 新型SSRMS構(gòu)型可重構(gòu)空間機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)奇異性分析[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2023，28（8）：1-17. Zhao Zhiyuan， Yang Xiaohang， Xu Zichun， et al. Kinematic singularity analysis of a novel reconfigurable space manipula‐tor with SSRMS configuration[J]. Journal of Mechanical Engi‐neering，2023，28（8）：1-17. （in Chinese）

Review on Development and Application of Structure of Manipulator

Wu Qi1， Wang Zhigang1，2， Yang Yu1， Lu Yifei1， Liu Gang1， Shi Xintong1， Bao Panpan1

1. National Key Laboratory of Strength and Structural Integrity， Aircraft Strength Research Institute of China， Xi’an 710065，China

2. Beihang University， Beijing 100191， China

Abstract： With its unique flexibility， powerful perception ability and outstanding adaptability， manipulators are widely used in national defense and military fields， such as space exploration， industrial assembly， battlefield explosion prevention and other dangerous scenarios. The bionic structure design mimics the arrangement of biological microstructures and the emergency regulation mechanism， which can greatly improve the multi-functional adaptability of the manipulator structure in the complex service environment， improve the production efficiency， expand the application field， and promote scientific and technological progress. In this paper， according to the stiffness characteristics， the manipulator can be divided into three categories： rigid manipulator， rigid-flexible coupling manipulator and flexible manipulator. The advantages， disadvantages， research status and applications of the three types of manipulators are described， and the key technologies in the design and manufacture of the manipulators are described from the perspectives of the motion principle and structure design method， the driving method and control strategy of the bionic design of the manipulators. Finally， the research status and development trend of lightweight aerospace manipulator are introduced.

Key Words： manipulator； development status； key technology； bionic structure