楊承旭 王麗華 危清清 趙志軍 王耀兵

(1 北京空間飛行器總體設(shè)計部 空間智能機器人系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用北京市重點實驗室,北京 100094)(2 吉林大學(xué),長春 130025)

伴隨近地空間中空間小碎片的增加,空間環(huán)境逐漸惡化的問題不容忽視[1],而基于空間機器人的在軌操作是清理空間小碎片的重要手段之一[2]。根據(jù)關(guān)節(jié)和連桿在整體機構(gòu)中的尺寸比例,可將機器人分為離散型機器人、超冗余機器人和連續(xù)型機器人[3]。目前廣泛應(yīng)用于空間環(huán)境的機器人類型是離散型機器人,然而此類機器人在對碎片進行抓捕時需要精確識別目標(biāo)并跟蹤抓捕點,抓捕難度大,可靠性低[4]。連續(xù)型機器人具有收攏后分段常曲率和多點接觸的特點,能夠利用機器人本體形成穩(wěn)定抱捕構(gòu)型來捕獲小碎片[5],無需精確識別目標(biāo)與跟蹤抓捕點,可有效降低抓捕難度,提高可靠性。故使用連續(xù)型機器人的空間抱捕任務(wù)有重要的研究意義。

空間環(huán)境中的高真空、強輻射、極端溫度對連續(xù)型機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計提出要求。本文基于空間環(huán)境的特點并面向空間抱捕任務(wù)的連續(xù)型機器人的結(jié)構(gòu)需求,對連續(xù)型機器人的驅(qū)動方式、繩驅(qū)動連續(xù)型機器人的主干特征、關(guān)節(jié)特征進行分類,并比較其優(yōu)劣。

1 空間抱捕任務(wù)要求

空間抱捕任務(wù)的目標(biāo)是近地空間中的小碎片,根據(jù)位于德國的歐洲航天局空間碎片辦公室提供的數(shù)據(jù),目前由空中監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)追蹤并編目的碎片數(shù)目約為34810個。然而,并不是所有的空間物體都可以被追蹤并編目,空間中漂浮的碎片數(shù)量遠大于此,根據(jù)統(tǒng)計模型估計,在地球軌道中存在超過36500個大于10cm的空間碎片[6]。對于這些直徑較大的空間碎片采用連續(xù)型機器人進行空間抱捕是一種直接有效的清理辦法。在空間環(huán)境中使用連續(xù)型機器人進行小碎片的抱捕任務(wù)要同時克服空間環(huán)境的應(yīng)用難點與抱捕任務(wù)的任務(wù)需求。

進行抱捕的空間環(huán)境溫度較為極端,在距地面200km的低軌道,空間溫度變化范圍可以達到-43～+219℃;而在距地面36000km的地球同步軌道,空間溫度變化范圍可以達到-100～+168℃;高溫與低溫的影響使得連續(xù)型機器人暴露于空間環(huán)境的執(zhí)行部分不能使用受溫度影響大的組件。同時,高度為200km時空氣密度已降低至2.73×10-4kg/m3,此環(huán)境下真空度較高,需要進行密封性處理的組件應(yīng)用較為困難。

空間抱捕任務(wù)的目標(biāo)是直徑大于10cm的空間碎片,由于這些碎片的產(chǎn)生方式不同,形狀不規(guī)則,無法準(zhǔn)確識別外形信息。且受到地球引力、太陽輻射壓力、大氣拖力等因素的影響,碎片在空間中的運動速度快,存在自旋轉(zhuǎn)。空間碎片的運動特點需要連續(xù)型機器人的結(jié)構(gòu)能夠具有足夠的剛度來維持抱捕構(gòu)型,使機器人在沖擊下不會使目標(biāo)逃逸;同時具有一定的柔性來分散抱捕載荷,減輕結(jié)構(gòu)損傷?？臻g碎片的外形特點需要機器人具有多自由度來實現(xiàn)大容差的環(huán)繞抱捕;同時需要機器人的姿態(tài)準(zhǔn)確可控,可達到理想的抱捕姿態(tài)。

2 連續(xù)型機器人的驅(qū)動方式

空間小碎片抱捕任務(wù)需要連續(xù)型機器人的驅(qū)動方式能適應(yīng)空間環(huán)境,并提供足夠的驅(qū)動力來穩(wěn)定抱捕構(gòu)型。目前連續(xù)型機器人的驅(qū)動方式可依據(jù)驅(qū)動裝置是否外置分為外置驅(qū)動、內(nèi)置驅(qū)動、混合驅(qū)動。

1)外置驅(qū)動

外置驅(qū)動的典型代表是繩驅(qū)動。該方式將驅(qū)動裝置置于機器人外部,通過連接裝置(驅(qū)動繩)來間接驅(qū)動機器人運動。其中,驅(qū)動繩本身并不具備支撐機器人主干結(jié)構(gòu)的功能。美國克萊姆森大學(xué)設(shè)計的繩驅(qū)動象鼻(Elephant’s Trunk)機器人具有一定的承載能力[7]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的繩驅(qū)動連續(xù)型機器人[8-9]質(zhì)量較輕。繩驅(qū)動連續(xù)型機器人具有結(jié)構(gòu)簡單、容易控制、溫升較小等優(yōu)點,相較其它驅(qū)動方式對于使用環(huán)境的要求較低,且具有一定的承載能力,可作為太空中進行抱捕任務(wù)機器人的驅(qū)動裝置,如圖1所示[8]。

圖1 繩驅(qū)動連續(xù)型機器人

2)內(nèi)置驅(qū)動

常見的內(nèi)置驅(qū)動有3種,分別是氣體驅(qū)動、智能材料驅(qū)動和預(yù)彎曲同心管驅(qū)動。

美國氣動(OctArm)連續(xù)型機器人[10]具有多余自由度,見圖2(a)。針對氣動機器人可操作性差的問題,西安交通大學(xué)的新型氣動肌肉機器人改進了控制方式[11]。氣動的連續(xù)型機器人具有質(zhì)量較輕、響應(yīng)速度快、柔順性高的優(yōu)點,但是氣體的可壓縮性會導(dǎo)致機器人的整體控制精度較低[12],并且降低了機器人的剛度。此外,由于空間環(huán)境屬于超真空,氣動機器人需要進行特殊的密封性設(shè)計,空間應(yīng)用性價比較低。

圖2 內(nèi)置驅(qū)動

采用新型智能材料作為驅(qū)動裝置的連續(xù)型機器人統(tǒng)稱為智能材料驅(qū)動機器人。智能材料在光電熱刺激下可產(chǎn)生不同程度的形變,可驅(qū)動具有柔性主干的連續(xù)型機器人在不同方向產(chǎn)生轉(zhuǎn)動。日本川崎公司設(shè)計的使用離子交換聚合金屬材料(Ionic Polymer Metal Composite,IPMC)驅(qū)動的連續(xù)型機器人[13]在施加驅(qū)動電壓產(chǎn)生形變后,結(jié)構(gòu)復(fù)原較慢。北京航空航天大學(xué)的形狀記憶合金(Shape Memory Alloys,SMA)驅(qū)動仿象鼻機械臂[14]體積小、質(zhì)量輕、具有較大的收縮比(可達到50%),見圖2(b)。在空間環(huán)境中,材料散熱困難,形變后復(fù)原時間長,無法在短時間內(nèi)改變形態(tài)。智能材料驅(qū)動在空間應(yīng)用需要材料具有快速響應(yīng)特性。

預(yù)彎曲同心管機器人也是一種內(nèi)置驅(qū)動機器人,這種連續(xù)型機器人體積小、柔順性強,適合用于狹小空間內(nèi)探測。但空間抱捕任務(wù)需要連續(xù)型機器人具有一定的結(jié)構(gòu)剛度來維持穩(wěn)定的抱捕構(gòu)型,故預(yù)彎曲同心管機器人不能滿足任務(wù)需求。

3)混合驅(qū)動

混合驅(qū)動是指在連續(xù)型機器人中同時使用內(nèi)置驅(qū)動與外置驅(qū)動。在這種驅(qū)動方式中,氣體驅(qū)動與繩驅(qū)動的組合較為常見,氣體驅(qū)動更多作為機器人的主干來維持機器人的整體柔順構(gòu)型并實現(xiàn)大范圍運動,繩驅(qū)動用來實現(xiàn)機器人的位置微調(diào)。美國克萊姆森大學(xué)的混合驅(qū)動連續(xù)型機器人氣動混合(Air-Octor)[15]質(zhì)量較輕,見圖3。意大利比薩圣安娜大學(xué)的老年人護理混合驅(qū)動的連續(xù)型機器人[16]具備柔順外形,可減輕碰撞力?；旌向?qū)動的連續(xù)型機器人兼具氣壓驅(qū)動機器人的柔順性和繩驅(qū)動機器人的高精度。但混合驅(qū)動需要協(xié)調(diào)多種驅(qū)動裝置同時工作,裝配精度要求高。與氣動機器人相同,混合驅(qū)動機器人有密封性要求,應(yīng)用于空間抱捕任務(wù)還存在大量有待突破的關(guān)鍵技術(shù)。

外置驅(qū)動、內(nèi)置驅(qū)動、混合驅(qū)動3種驅(qū)動方式對比見表1。

表1 連續(xù)型機器人驅(qū)動方式的特性比較

空間中的高真空與極端溫度對機器人的機構(gòu)性能提出了要求,為了提高機構(gòu)的可靠性,應(yīng)該選擇結(jié)構(gòu)相對簡單的驅(qū)動方式。繩驅(qū)動的連續(xù)型機器人具有結(jié)構(gòu)簡單、容易控制、空間環(huán)境適應(yīng)性強等優(yōu)點,且具有一定的承載能力,適合應(yīng)用于空間小碎片抱捕任務(wù)。本文以繩驅(qū)動連續(xù)型機器人為對象開展進一步分析。

3 繩驅(qū)動連續(xù)型機器人的主干

空間小碎片抱捕任務(wù)需要連續(xù)型機器人的主干具有一定剛度來維持抱捕構(gòu)型防止目標(biāo)逃逸,也需要一定柔順性來分散碰撞力,同時需保證機器人操作精度,主干的彎曲形式需要可控。本節(jié)針對第1節(jié)所分析的適用于空間任務(wù)的繩驅(qū)動連續(xù)型機器人的主干形式進行討論,基于文獻[9,17]對連續(xù)型機器人的分類,提出了一種新的分類方式:依據(jù)繩驅(qū)動連續(xù)型機器人中是否含有剛性主干與柔性支撐可分為剛性連續(xù)型機器人、剛?cè)峄旌线B續(xù)型機器人、柔性連續(xù)型機器人;其中,剛性連續(xù)型機器人依據(jù)是否含有聯(lián)動關(guān)節(jié)可細分為剛性聯(lián)動式連續(xù)型機器人和剛性全主動連續(xù)型機器人。

繩驅(qū)動剛性聯(lián)動式連續(xù)型機器人的主干由多個臂段串聯(lián)而成,每個臂段包括多個剛性臂桿與關(guān)節(jié),一段中的關(guān)節(jié)之間通過使用繩聯(lián)動來傳遞運動。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的繩驅(qū)動剛性聯(lián)動式連續(xù)型機器人[18]每個臂段的8個自由度聯(lián)動為2個獨立的自由度,臂段內(nèi)任一關(guān)節(jié)的運動將通過導(dǎo)向盤輔助聯(lián)動繩聯(lián)動至其余關(guān)節(jié),臂段所需驅(qū)動電機數(shù)較少,結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的另一種連續(xù)型機器人[19]通過“大、小8字型聯(lián)動”將單關(guān)節(jié)的運動傳遞至其它關(guān)節(jié),這種聯(lián)動結(jié)構(gòu)使機器人的整體控制精度較高,如圖4所示。繩驅(qū)動剛性聯(lián)動式連續(xù)型機器人的優(yōu)點是工作空間大,同時減少了驅(qū)動電機數(shù)量。且每個臂段內(nèi)的關(guān)節(jié)運動具有一致性,控制精度高,應(yīng)用于空間抱捕任務(wù)具有優(yōu)勢。

圖4 繩驅(qū)動剛性聯(lián)動式連續(xù)型機器人

繩驅(qū)動剛性全主動連續(xù)型機器人通過驅(qū)動繩對分段主干中的每個關(guān)節(jié)進行單獨控制,以實現(xiàn)連續(xù)型機器人的多自由度運動。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的全主動機器人[8]由10個模塊化的2自由度關(guān)節(jié)串聯(lián),使用30個電機對各關(guān)節(jié)進行驅(qū)動,質(zhì)量較大。湖南大學(xué)的變截面連續(xù)型機器人具備10個自由度[20],同時保證較高的控制精度。繩驅(qū)動剛性全主動連續(xù)型機器人難以兼顧電機數(shù)目與工作空間,在空間抱捕任務(wù)中應(yīng)用具有一定局限性。

繩驅(qū)動剛?cè)峄旌线B續(xù)型機器人通過在剛性主干之間的關(guān)節(jié)中添加柔性材料來傳遞運動并維持構(gòu)型。北京航空航天大學(xué)的球鉸繩驅(qū)動剛?cè)峄旌线B續(xù)型機器人[21]依靠橡膠墊片來傳遞運動/力,存在控制精度低的問題。北京空間飛行器總體設(shè)計部的連續(xù)型機器人[22]通過在關(guān)節(jié)之間增加彈簧組成剛?cè)峄旌辖Y(jié)構(gòu)來增強結(jié)構(gòu)柔順性。繩驅(qū)動剛?cè)峄旌线B續(xù)型機器人具有較高的柔順性和對環(huán)境的適應(yīng)能力。但是依靠柔性支撐進行傳力會降低機器人的剛度并增加控制難度,在空間抱捕任務(wù)中應(yīng)用,需要采用具有快速響應(yīng)能力的控制算法以及精確的力反饋系統(tǒng),并實時監(jiān)控機器人姿態(tài),協(xié)調(diào)難度較高。

繩驅(qū)動柔性連續(xù)型機器人采用柔性材料作為主干,構(gòu)型更加平滑柔順,趨近于具有無限自由度。羅馬尼亞克拉約瓦大學(xué)的繩驅(qū)動柔性連續(xù)型機器人[23]由于具備彈性材料主干,結(jié)構(gòu)較為柔順,見圖5。香港中文大學(xué)的繩驅(qū)動柔性機構(gòu)(Constrained Wire-driven Flexible Mechanism,CWFM)[24]采用主動約束來控制柔性主干的長度,擴展了工作空間并增強了靈活性。使用柔性主干的連續(xù)型機器人結(jié)構(gòu)剛度相對較低,在空間抱捕任務(wù)中難以維持抱捕構(gòu)型,因而應(yīng)用受到限制。可變剛度設(shè)計能擴展其操作能力,是目前研究的熱點之一。

圖5 繩驅(qū)動柔性連續(xù)型機器人

表2比較了具有不同主干特性的繩驅(qū)動連續(xù)型機器人。

表2 繩驅(qū)動連續(xù)型機器人的不同主干特性比較

空間抱捕任務(wù)要求連續(xù)型機器人具有靈活性強、結(jié)構(gòu)剛度大、工作空間大、精確性高的特點。繩驅(qū)動剛性聯(lián)動式連續(xù)型機器人不具有柔性結(jié)構(gòu),整體結(jié)構(gòu)剛度較大,同時由于關(guān)節(jié)之間實現(xiàn)繩聯(lián)動,無需對各關(guān)節(jié)單獨進行驅(qū)動,在擴大機器人工作空間的同時減少驅(qū)動電機的數(shù)量,減輕了結(jié)構(gòu)質(zhì)量。繩驅(qū)動剛性聯(lián)動結(jié)構(gòu)較為符合空間抱捕任務(wù)對連續(xù)型機器人提出的結(jié)構(gòu)要求,具有良好的應(yīng)用前景。

4 繩驅(qū)動連續(xù)型機器人的關(guān)節(jié)

空間抱捕任務(wù)所需的連續(xù)型機器人為了完成在復(fù)雜環(huán)境中運動與小碎片抱捕,同時簡化控制難度,機器人每個臂段只需要在驅(qū)動繩的牽引下實現(xiàn)2自由度的彎曲。本節(jié)基于第1、2節(jié)的分析,研究不同主干類型的繩驅(qū)動連續(xù)型機器人所使用的關(guān)節(jié),并討論不同類型的關(guān)節(jié)進行繩聯(lián)動的可行性與復(fù)雜程度。繩驅(qū)動連續(xù)型機器人可應(yīng)用的常見關(guān)節(jié)為萬向節(jié)、轉(zhuǎn)動副、球鉸、2自由度并聯(lián)腕(3-UU)關(guān)節(jié)。

萬向節(jié)是繩驅(qū)動連續(xù)型機器人常見的關(guān)節(jié)連接方式,如圖6所示[18]。清華大學(xué)的連續(xù)型機器人中,每個臂段中的6根臂桿都通過萬向節(jié)進行連接[25],通過聯(lián)動繩來保證單個臂段中萬向節(jié)運動的同步性。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的連續(xù)型機器人采用具有中空結(jié)構(gòu)的萬向節(jié)來實現(xiàn)轉(zhuǎn)動,中空結(jié)構(gòu)用于布置傳感器的電源線和信號線[17]。萬向節(jié)具備2個方向的自由度,使用萬向節(jié)的連續(xù)型機器人結(jié)構(gòu)簡單、緊湊。同時萬向節(jié)能夠通過繩聯(lián)動實現(xiàn)關(guān)節(jié)同步運動,同步運動的萬向節(jié)使得機器人在運動時具有分段等曲率的幾何特征,從而增強操控性能。適合作為繩驅(qū)動剛性聯(lián)動式連續(xù)型機器人的關(guān)節(jié)。

圖6 萬向節(jié)關(guān)節(jié)

轉(zhuǎn)動副具有1個自由度,在早期連續(xù)型機器人中應(yīng)用較多。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的繩驅(qū)動內(nèi)窺鏡機器人使用轉(zhuǎn)動副關(guān)節(jié)[26],各臂段中環(huán)形臂桿兩側(cè)的鉚接耳呈90°交叉布置形成萬向環(huán),結(jié)構(gòu)可拓展。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的另一種轉(zhuǎn)動副連續(xù)型機器人每一臂桿兩側(cè)的鉚接耳相差15°布置[27],由12個轉(zhuǎn)動副串聯(lián)而成的機器人可實現(xiàn)末端6自由度的運動。使用轉(zhuǎn)動副的機器人為實現(xiàn)三維空間運動,常將轉(zhuǎn)動副90°交替排布形成萬向環(huán)。驅(qū)動力的傳遞往往靠關(guān)節(jié)碰撞實現(xiàn),控制精度低,如圖7所示[28]。

圖7 轉(zhuǎn)動副

球鉸類似人體關(guān)節(jié),具有兩個彎曲自由度和一個旋轉(zhuǎn)自由度。中國科學(xué)院大學(xué)的連續(xù)型機器人采用球鉸連接[28],結(jié)構(gòu)簡單。東南大學(xué)的變剛度球鉸仿生連續(xù)型機器人[29],同時安裝氣囊和彈簧裝置來調(diào)節(jié)球鉸的關(guān)節(jié)剛度,結(jié)構(gòu)可拓展。球鉸具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝便利的優(yōu)點。但安裝在連續(xù)型機器人中的球鉸需要限制扭轉(zhuǎn)自由度,增加控制難度,難以滿足空間抱捕任務(wù)對連續(xù)型機器人的控制精度要求,如圖8所示[28]。

圖8 球鉸

3-UU關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,由三根連桿和兩個剛性盤組成,連桿和剛性盤連接處可進行2自由度運動。由韓國理工大學(xué)所設(shè)計的線驅(qū)動雙臂(LIMS2-AMBIDEX)機器人將3-UU關(guān)節(jié)應(yīng)用于機器人的手腕中[30],結(jié)構(gòu)剛度較低,需要安裝緊固裝置。哈爾濱工業(yè)大學(xué)設(shè)計了基于該關(guān)節(jié)的繩驅(qū)動剛性聯(lián)動式連續(xù)型機器人[31],由于3-UU關(guān)節(jié)存在的同一自由度兩側(cè)長度變化一致的特點,通過約束相鄰關(guān)節(jié)的兩側(cè)來實現(xiàn)繩聯(lián)動。3-UU關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)不夠穩(wěn)定、剛度較差,應(yīng)用于空間抱捕任務(wù)需提升結(jié)構(gòu)剛度,如圖9所示[31]。

圖9 3-UU關(guān)節(jié)

針對各關(guān)節(jié)特性的對比見表3。

表3 繩驅(qū)動連續(xù)型機器人的不同關(guān)節(jié)特性比較

結(jié)合應(yīng)用于空間抱捕任務(wù)的機器人特征需求發(fā)現(xiàn),需要關(guān)節(jié)之間實現(xiàn)聯(lián)動,完成運動/力的傳遞。由于萬向節(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)繩聯(lián)動,并且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,制造與安裝的難度較小,更加適合應(yīng)用于空間環(huán)境。此外,在萬向節(jié)的繩聯(lián)動設(shè)計時還需要考慮轉(zhuǎn)動范圍、傳動效率、繩索受力等多重約束,以提高關(guān)節(jié)的綜合性能。

5 需關(guān)注的關(guān)鍵問題

結(jié)合前文的分析,連續(xù)型機器人驅(qū)動方式、主干結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)的形式選擇直接影響機器人的性能。

針對空間抱捕任務(wù)的特殊應(yīng)用需求,開展面向此類任務(wù)的連續(xù)型機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計需考慮如下3方面的問題:

(1)連續(xù)型機器人的驅(qū)動方式需要滿足空間環(huán)境適應(yīng)性。繩驅(qū)動對環(huán)境要求低,同時使用繩驅(qū)動的連續(xù)型機器人往往具有較高的結(jié)構(gòu)剛度,適合作為空間抱捕連續(xù)型機器人的驅(qū)動裝置。3種內(nèi)置驅(qū)動具有結(jié)構(gòu)柔順、連續(xù)性強的優(yōu)點,但是氣體驅(qū)動對密封性要求較高,智能材料驅(qū)動在空間環(huán)境中散熱困難,無法短時間內(nèi)多次改變構(gòu)型,預(yù)彎曲同心管機器人結(jié)構(gòu)剛度較差,無法滿足維持抱捕構(gòu)型的剛度需求。故應(yīng)用于空間抱捕任務(wù)的連續(xù)型機器人驅(qū)動方式面臨的關(guān)鍵問題在于:如何在滿足空間環(huán)境要求的前提下,不斷提升驅(qū)動力、速度等關(guān)鍵性能。

(2)連續(xù)型機器人的主干需要滿足抱捕任務(wù)的剛度要求。連續(xù)型機器人為了提高剛度與控制精度,可采用剛性分段主干,然而剛性分段主干的整體連續(xù)性、柔順性不如柔性主干。柔性主干和在剛性主干中添加柔性支撐形成的剛?cè)峄旌辖Y(jié)構(gòu)在一定程度上提升了機器人的柔順性,但控制難度隨之增加。對于空間小碎片抱捕任務(wù),既需要連續(xù)型機器人具有較好的剛度以維持預(yù)期的抱捕構(gòu)型從而防止目標(biāo)逃逸,又需要具有一定的柔順性以避免抱捕過程產(chǎn)生較大的接觸碰撞力,剛度設(shè)計需要結(jié)合目標(biāo)特性和任務(wù)要求綜合權(quán)衡。

(3)面向空間抱捕任務(wù)的剛性主干連續(xù)型機器人關(guān)節(jié)需要綜合考慮自由運動和力傳遞的矛盾。連續(xù)型機器人的關(guān)節(jié)需要具備足夠的自由度來滿足超冗余自由度特性,同時還需要實現(xiàn)主干運動和力的傳遞。多自由度運動和運動/力傳遞之間的矛盾是關(guān)節(jié)設(shè)計需要解決的核心問題,此外還需要關(guān)注的設(shè)計約束包括關(guān)節(jié)等效剛度、運動干涉、局部強度等。

6 空間抱捕連續(xù)型機器人結(jié)構(gòu)研究展望

針對空間小碎片抱捕任務(wù)特點,連續(xù)型機器人結(jié)構(gòu)的后續(xù)重點研究方向以下3方面。

(1)針對具體任務(wù)開展結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化:空間小碎片抱捕任務(wù)對連續(xù)型機器人的剛度與靈活性等指標(biāo)提出要求,需要結(jié)合抱捕對象的外部幾何特性確定連續(xù)型機器人結(jié)構(gòu)特征參數(shù),使其在工作空間內(nèi)保證一定的靈活性并具備維持抱捕構(gòu)型的剛度。對此,需要從連續(xù)型機器人的桿件長度和直徑、關(guān)節(jié)自由度和最大轉(zhuǎn)角、繩孔位置和繩聯(lián)動摩擦特性等多維度統(tǒng)籌考慮,對機器人進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,以滿足抱捕任務(wù)的需求。

(2)提高機器人結(jié)構(gòu)的感知能力:連續(xù)型機器人在抱捕任務(wù)中需要基于和目標(biāo)碎片的接觸位置、接觸力等信息來調(diào)整自身構(gòu)型和抱捕力。因此,需要在機器人的驅(qū)動繩、主干、關(guān)節(jié)上布置力傳感器、觸覺傳感器、角度傳感器等傳感裝置,通過多信息融合獲取完整的外部信息,為連續(xù)型機器人的精確控制提供基礎(chǔ)。這些傳感器的布置需要與機器人結(jié)構(gòu)進行一體化設(shè)計,確保信息獲取的準(zhǔn)確、實時、可靠。

(3)適應(yīng)空間運動碎片抱捕策略的結(jié)構(gòu)特性設(shè)計:空間小碎片存在速度快、自旋轉(zhuǎn)、形狀不規(guī)則等特點,直接抱捕操作可能超出連續(xù)型機器人的承載能力導(dǎo)致任務(wù)失敗。因此設(shè)計抱捕控制策略為:在抱捕開始前控制連續(xù)型機器人順應(yīng)目標(biāo)碎片運動;在接觸目標(biāo)時依據(jù)自身結(jié)構(gòu)特性快速響應(yīng)目標(biāo)外形特點,減慢目標(biāo)速度并消除旋轉(zhuǎn);當(dāng)目標(biāo)可被安全抱捕時控制機器人進行抱捕操作。依據(jù)上述控制策略,從抱捕碎片的動力學(xué)特性出發(fā),建立“碎片-機器人”動力學(xué)模型和控制模型,通過抓捕過程的動力學(xué)-控制聯(lián)合仿真獲取所需的機器人驅(qū)動能力與響應(yīng)特性,在此基礎(chǔ)上建立連續(xù)型機器人結(jié)構(gòu)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù),通過反復(fù)迭代得到最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

7 結(jié)束語

本文分析了國內(nèi)外連續(xù)型機器人的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀;結(jié)合在空間中完成小碎片抱捕任務(wù)的應(yīng)用需求,對連續(xù)型機器人的驅(qū)動方式、繩驅(qū)動連續(xù)性機器人主干特征、關(guān)節(jié)特征進行分析比較,得到如下結(jié)論。

(1)繩驅(qū)動的連續(xù)型機器人具有結(jié)構(gòu)簡單、容易控制、空間環(huán)境適應(yīng)性強等優(yōu)點,驅(qū)動方式的選擇需結(jié)合抱捕小碎片任務(wù)需求和空間環(huán)境限制綜合考慮。

(2)連續(xù)型機器人的主干剛度設(shè)計需兼顧構(gòu)型保持和接觸沖擊要求,關(guān)節(jié)設(shè)計需要合理解決多自由度運動和力傳遞之間的矛盾。

(3)從空間抱捕任務(wù)特點出發(fā)開展機器人驅(qū)動能力、響應(yīng)能力和感知能力設(shè)計是繩驅(qū)動連續(xù)型機器人未來重點發(fā)展方向。