周海君

（沈陽科技學(xué)院，遼寧 沈陽 110000）

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

1 線驅(qū)動連續(xù)體機器人概況分析

通過對線驅(qū)動連續(xù)體機器人概述和特點的了解，可以更好地展開線驅(qū)動連續(xù)體機器人設(shè)計與實現(xiàn)，以及分析其發(fā)展趨勢，這樣才能實現(xiàn)預(yù)期的目的，確保其運行性能[1]。

1.1 概述

1.線驅(qū)動連續(xù)體機器人由激光模塊、內(nèi)窺鏡、觸覺反饋設(shè)備等方面組成。其中，驅(qū)動模塊作為線驅(qū)動連續(xù)體機器人的核心，主要是在線連續(xù)機械臂、電滑軌的基礎(chǔ)之上，以此形成機械臂系統(tǒng)。同時，電滑軌驅(qū)動機械臂在運行期間，主要是確保整體運行的穩(wěn)定性和安全性，并且將其置于機械臂的光纖中；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、相機以及對圖像處理的主要設(shè)備，并且在線驅(qū)動連續(xù)體機器人內(nèi)，主要是負責(zé)監(jiān)控激光在系統(tǒng)內(nèi)的運行行為，實時地將各項信息和數(shù)據(jù)畫面?zhèn)鬏斀o操作人員，這樣操作人員可以根據(jù)畫面的各項信息和數(shù)據(jù)更好地完成各項指令，確保線驅(qū)動連續(xù)體機器人運行的精準(zhǔn)性。

2.線驅(qū)動連續(xù)體機器人在使用期間，主要是握住以及移動操作手柄，逐漸傳達操作者的指令，并且主機將運動指令傳輸給機械臂，從而線驅(qū)動連續(xù)體機器人的運動。同時，機械臂系統(tǒng)在運行的時候，激光能量纖維會將目標(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設(shè)備，使操作人員獲取各項信息，以便執(zhí)行各項操作方案。

1.2 特點

線驅(qū)動連續(xù)體機器人具有結(jié)構(gòu)輕量性以及靈活性高等特點，在具體運行期間，可以在自身彎曲變形中實現(xiàn)對非規(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，在線驅(qū)動連續(xù)體機器人運行期間，傳統(tǒng)系統(tǒng)經(jīng)常會受到非線摩擦、伸長關(guān)節(jié)、以及關(guān)節(jié)之間耦合作用的影響，其控制精度相對較低，影響其定位精準(zhǔn)以及抓取量，這時就需對現(xiàn)有結(jié)果不斷進行設(shè)計和優(yōu)化，從而提升線驅(qū)動連續(xù)體機器人的使用品質(zhì)。

2 線驅(qū)動連續(xù)體機器人設(shè)計與實現(xiàn)

由于線驅(qū)動連續(xù)體機器人設(shè)計相對較為復(fù)雜，所以在設(shè)計與實現(xiàn)的時候，必須明確其要點，這樣才能保證其良好的設(shè)計和實現(xiàn)效果。那么，在線驅(qū)動連續(xù)體機器人設(shè)計和實現(xiàn)的時候，應(yīng)當(dāng)重點考慮以下幾點內(nèi)容。

2.1 系統(tǒng)設(shè)計方案

線驅(qū)動連續(xù)體機器人屬于一種高冗余自由度的機器人，并且與傳統(tǒng)的機器人有著很大的不同，不僅體積相對較小，靈敏度也相對較高，并且可以在復(fù)雜、受限的環(huán)境中，采取多樣化的運動方式完成各項指令。對此，在線驅(qū)動連續(xù)體機器人系統(tǒng)設(shè)計，需要對各項要求進行綜合性的考慮，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)動連續(xù)體機器人的特性，對控制部分、驅(qū)動部分、機器人本體等方面進行設(shè)計。

另外，在設(shè)計的時候，通過利用Arduino 控制器，與紅外遙控器進行配合，可以很好地提升線驅(qū)動連續(xù)體機器人的性能。針對驅(qū)動部分，采用電機和絲杠的模式，將線纜固定于絲杠上，這樣可以通過電極運動帶動絲杠，實現(xiàn)反復(fù)運行，從而對線纜進行控制[4]。

2.2 構(gòu)型設(shè)計

構(gòu)型是線驅(qū)動連續(xù)體機器人設(shè)計與實踐中一項重點內(nèi)容，主要基于柔性支撐的一種線驅(qū)動連續(xù)體機器人，并且在設(shè)計和實現(xiàn)的時候，需要對構(gòu)型的單關(guān)節(jié)模塊進行設(shè)計。

同時，為了獲取更好的工作空間，需要根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對構(gòu)型尺寸進行優(yōu)化，這樣才能有效提升線驅(qū)動連續(xù)體機器人設(shè)計人員的精準(zhǔn)性。另外，由于線驅(qū)動連續(xù)體機器人經(jīng)常在復(fù)雜條件和環(huán)境中運行，所以在構(gòu)型設(shè)計的時候，需要對使用條件進行考慮，適當(dāng)進行調(diào)整，減少復(fù)雜環(huán)境對線驅(qū)動連續(xù)體機器人運行的影響。

2.3 單關(guān)節(jié)模塊設(shè)計

在柔性支撐的基礎(chǔ)之上，需要從基座、動平臺、柔性支撐骨架、以及驅(qū)動等方面進行設(shè)計，并且在柔性支撐骨架設(shè)計的時候，需要用液壓軟骨材料，這樣可以有效提升線驅(qū)動連續(xù)體機器人的抗拉強度、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)計情況，將連接點均勻地布置在動平臺與基座上，這樣可以利用驅(qū)動電機牽引，以此保證良好的設(shè)計效果[5]。同時，在設(shè)計的時候，需要確定設(shè)計變量，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)計的時候，選定設(shè)計目標(biāo)函數(shù)，以及確定約束條件以后，可以采取遺傳算法進行求解，從而得出最優(yōu)的設(shè)計參數(shù)，以此保證線驅(qū)動連續(xù)體機器人設(shè)計的準(zhǔn)確性，確保其精準(zhǔn)實現(xiàn)于實際工作中。

2.4 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計一直都是線驅(qū)動連續(xù)體機器人設(shè)計的重點，主要是利用Arduino 完成各項設(shè)計作業(yè)。同時，在軟件設(shè)計和實現(xiàn)的時候，Arduino 控制運行之前，需要利用紅外遙控器進行控制，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€關(guān)節(jié)角度輸入Arduino 中，并且構(gòu)建a、β和φ、θ之間的運動學(xué)關(guān)系，反求得到φ、θ，根據(jù)其結(jié)果，計算出絲杠移動距離。將所得出的距離，根據(jù)運動質(zhì)量進行轉(zhuǎn)換，形成步進電機控制脈沖數(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行狀態(tài)，設(shè)定關(guān)節(jié)角度的運行狀態(tài)[6]。

另外，在設(shè)計的時候，需要預(yù)先儲存不同關(guān)節(jié)角度的對應(yīng)電極脈沖數(shù)據(jù)，并且可以利用Arduino 進行控制，以此實現(xiàn)固定角度的運行，確保機器人良好的運行性能。

2.5 結(jié)構(gòu)組裝

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

2.6 系統(tǒng)調(diào)試

在線驅(qū)動連續(xù)體機器人設(shè)計完成以后，需要與電源進行連接，根據(jù)實際情況，對系統(tǒng)進行設(shè)置，并且需要利用紅外開關(guān)基于輸入的角度，對運行范圍進行嚴格的控制。在系統(tǒng)調(diào)試的時候，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，在系統(tǒng)測試時需要以轉(zhuǎn)走自由角度為例，在啟動之前，需要在起始位置的三個環(huán)節(jié)進行設(shè)置，并且應(yīng)當(dāng)對電機運動步數(shù)進行計算，根據(jù)計算結(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電機運行模式進行設(shè)置，并且對運行角度進行控制。利用相關(guān)軟件，對運行角度所對應(yīng)的電極脈沖數(shù)目進行計算，再通過利用控制芯片，對電機轉(zhuǎn)動進行控制，從而確保線驅(qū)動連續(xù)體機器人控制的精準(zhǔn)度。

表1 對應(yīng)目標(biāo)位置電機的控制脈沖數(shù)

3 線驅(qū)動連續(xù)體機器人運動學(xué)分析

對于線驅(qū)動連續(xù)體機器人，其末端位置主要是由驅(qū)動繩的長度所確定，所以需要對線驅(qū)動連續(xù)體機器人的運動學(xué)進行分析，對繩索長度以及末端系統(tǒng)位置之間的關(guān)系進行研究，并且需要對已知的驅(qū)動繩長度、驅(qū)動連續(xù)體機器人末端移動的位置參數(shù)進行計算，還需要根據(jù)逆運動學(xué)分析的原則，對各個關(guān)節(jié)繩索長度進行合理的設(shè)定。另外，在設(shè)計和實現(xiàn)的時候，需要將柔性支撐結(jié)構(gòu)作為基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的運動學(xué)模型的構(gòu)建方式一般以D-H 參數(shù)法為主，無法很好地描述其運行狀態(tài)。對此，在線驅(qū)動連續(xù)體機器人運行學(xué)分析的時候，可以利用瞬時旋轉(zhuǎn)軸的原理，對線驅(qū)動連續(xù)體機器人的彎曲運動進行描述，再利用螺旋理論構(gòu)建其正運動學(xué)模型[8]。另外，從逆運動學(xué)分的角度來說，一般以冗余系統(tǒng)作為基礎(chǔ)，這時在設(shè)計和實現(xiàn)的時候，可以利用數(shù)值逆運動學(xué)的方式，對驅(qū)動連續(xù)體機器人的運動狀況進行計算，以此保證驅(qū)動連續(xù)體機器人運行的精準(zhǔn)性。

4 發(fā)展趨勢

就目前情況來說，線驅(qū)動連續(xù)體機器人具有良好的發(fā)展趨勢，主要表現(xiàn)為以下幾點內(nèi)容。

1.需要根據(jù)現(xiàn)有情況，對形狀感知模型進行優(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，會對形狀感知結(jié)果造成一定的影響。同時，形狀、性能等方面需要進一步優(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，對感知反饋系統(tǒng)進行檢驗，并且受到時間方面的限制，這時為了確保模型的可行性，可以在柔性儲傳感器的基礎(chǔ)之上，對其不斷進行優(yōu)化，從而提升線驅(qū)動連續(xù)體機器人的運行性能。

3.在線驅(qū)動連續(xù)體機器人發(fā)展期間，可以對柔性被動支撐結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，從而強化其精準(zhǔn)度[9]。另外，還需要結(jié)合相關(guān)行業(yè)的需求，對其有針對性地進行優(yōu)化，這樣才能保證其良好的發(fā)展趨勢，實現(xiàn)自身的價值。

5 結(jié)語

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