面向空间站复杂环境的尖端生长型气动软体机器人设计

2022-02-21李朋春彭福军郭国仁周德开

液压与气动 2022年2期

李朋春，陈萌，彭福军，郭国仁，周德开

(1.上海市空间飞行器机构重点实验室，上海 201109；2.哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室，黑龙江哈尔滨 150001)

引言

空间站建设工程已成为世界航天领域的研究热点，其中故障检修机器人是空间站建设、运营和发展不可或缺的关键设备。空间站狭小的空间环境和精密的装置仪器对检测设备提出了更高的要求，而目前空间站的检测维修装备多为空间机械臂等刚性装备，作用范围较小、结构适应性不足、刚性冲击大，不能适应狭小精密的空间站环境，制约了空间站建设的发展。因此，亟待发展柔性空间站检修机器人来弥补现有刚性设备的不足。

近年来，凭借轻便的运动形式、极高的环境兼容性以及高度的安全性[1]，软体机器人迅速发展。目前国内外按运动方式将仿生软体移动机器人划分为蠕动式[2-4]、足式[5-7]、翻滚式[8-10]和生长式[11-13]等。其中，蠕动式机器人模拟蚯蚓、毛毛虫的运动特征，运动平稳可靠，但其普遍运动效率低且难以适应落差较大的地形；足式机器人一定程度上能够跨越障碍适应复杂地形，缺点在于运动中重心不稳，易发生侧翻现象；翻滚式机器人拥有很高的运动速度和环境适应性，但是其运动极易受环境影响，运动不平稳。相比此3种类型的软体机器人，生长式软体机器人因其具有更加全面、更加优越的运动性能而受到广泛的关注。

自然界的藤蔓植物可以通过尖端细胞的伸长和增殖实现尖端的生长，并通过细胞的不对称生长来实现尖端转向，使其能适应地面各种复杂环境，表现出极高的环境顺应性，是软体机器人良好的仿生对象。本研究关注的仿“藤蔓”尖端生长机器人以软体机器人广泛采用的流体压力作为驱动方式[14-17]，以聚乙烯筒状薄膜为主体材料，将内翻穿过中心的薄膜作为“待生长细胞”，通过内部气压驱动薄膜不断外翻，以延长其长度来模拟藤蔓类植物尖端生长过程，理论上可无限延伸[11]。为了进一步扩大机器人的工作范围，对其转向导航方案的设计一度是研究重点。国外学者曾利用气囊人工肌肉[18]和尾部绳索张力[19]实现机器人的转弯致动，然而机器人的柔性特征导致转弯关节之间的耦合作用严重影响其可控性和转弯精度，使机器人的运动局限于短程、简单的路径规划。本研究设计了小型舵机线驱动转向单元来实现机器人的关节转向，转弯角度可以通过舵机收线长度精确调整；同时各舵机转向单元的独立控制解除了转弯关节间的耦合作用，最终提出了一种可主动控制的多自由度尖端生长软体机器人。

首先，提出了新型尖端生长软体机器人的运动结构和控制方案，验证了运动方案的可行性；结合机器人运动特点，建立了机器人的转弯运动学模型，将机器人驱动参数与尖端位置建立关系，并利用有限元仿真分析了关节转向时的驱动性能；最后，通过实验验证了主动控制下机器人的运动能力和避障功能。

1 运动方案设计

尖端生长软体机器人通过仿生学原理借鉴藤蔓植物在复杂环境下的适应性生长模式，其运动系统主要由机器人主体、小型舵机转向单元、舵机控制芯片、存储密封盒以及气泵等组成。

1.1 机器人运动原理

机器人主体是直径为76.4 mm的聚乙烯筒膜，一端密封后内翻穿过主体内部并最终存储在密封盒内。持续输入气压过程中，存储的主体开始释放并在尖端实现外翻生长，如图1所示。与普通机器人的摩擦驱动方式不同，该气动外翻方式使得机器人可以脱离支撑表面实现运动，尤其适合摩擦驱动不足的空间站失重环境，同时该存储方式提高了主体收纳比，实现了机器人的小型化和轻量化，也满足空间应用需求。

机器人顶端转向方案设计是此前研究的重点[11,18-23]。自然界藤蔓植物通过两侧细胞的不对称生长实现尖端转弯从而躲避障碍并适应环境，借鉴此原理，设计了一系列的线驱动转弯单元。转弯单元由小型舵机、固定端圆片、中间连接线以及舵机控制芯片组成，其中小型舵机性能参数如表1所示，沿着主体轴线方向用双面胶贴附于主体上，舵机的转动收线使中间连接线缩短导致了两侧主体的长度差，从而实现了机器人的转弯过程，如图1所示。同时，机器人转弯角度可由收线长度精确控制，并通过控制舵机的正反转实现了转向的可逆性，这种设计显著提高了机器人的转弯精度和可控性。在此基础上，合理安排主体上转弯单元的密度和转弯角度，机器人可以主动适应复杂环境。

表1 舵机性能参数Tab.1 Performance parameters of servo

图1 机器人运动原理图Fig.1 Principle of motion in a soft robot

1.2 机器人控制原理

控制系统部分是完成各转向关节中舵机的实时控制，使其在主动控制下实现按需的连续转向。控制系统包括人机交互部分(发送端)和运动执行部分(接收端)，如图2所示，在复杂空间站内部为避免线缆的束缚、影响运动灵活性，两者之间通过无线射频通讯方式实现信息交互。

图2 控制系统组成Fig.2 Composition of control system

发送端依靠Arduino控制程序向外发送指令信号，接收端主体上的每个舵机都由对应的写入特定地址的控制芯片来控制，控制模块地址与指令信号一致的舵机完成相应的拉线动作，从而将控制信号精准导航到各执行器，实现了舵机转弯单元的解耦控制，使各关节转弯互不影响，大大提高了柔性机器人运动的可控性。控制系统的设计使操作员可以通过一个简单的接口来控制机器人的所有执行器。

2 运动学模型

2.1 驱动空间到关节空间的转弯模型分析

为了控制尖端生长软体机器人的运动轨迹，建立平面层次上精确的运动学模型，需要建立转弯角度与舵机转弯单元驱动参数之间的函数关系式。转弯角度取决于小型舵机的收线长度，转弯模型如图3所示。利用主体转弯处的几何关系学将此理论关系式表示如下：

(1)

式中, Δl—— 舵机收线长度

θ—— 转向关节转弯角度，θ∈[0，π]

R—— 转向关节弯曲对侧外边缘线的曲率半径，即主体直径

图3 转弯模型Fig.3 Steering model

2.2 关节空间和任务空间的运动学模型分析

采用柔性机器人中最常用的分段常曲率法来建立运动学模型[24-25]。关节空间和任务空间之间的映射关系即分析关节参数中的转向角度θi和旋转定位角φi与转向关节末端位姿的关系。其中，由于本研究仅分析平面内的运动规划，因此旋转定位角φi∈[0，π]。在运动学分析中，末端的位姿利用位姿矩阵进行描述，因此求取末端位姿的运动学问题转化为初始坐标系Oi-1Xi-1Yi-1Zi-1和末端坐标系OiXiYiZi的齐次变换问题，其转弯运动学模型如图4所示。

转向关节末端的位姿包括位置和姿态信息，其中末端位置坐标可以表示为：

(2)

式中，Rim—— 第i段转向关节中心轴线的曲率半径，Δlim=θi·Rim，Δlim表示中心轴线弯曲产生褶皱时的弧长

θi—— 第i段转向关节转弯角度

φi—— 第i段转向关节旋转定位角

li—— 第i段转向关节直立生长时的总长度

Δli—— 第i段转向关节弯曲转向θi对应的未发生褶皱一侧外边缘弧长

li-Δli—— 第i段转向关节未发生转向直立生长的主体长度

图4 运动学模型Fig.4 Kinematic model

因此可以将末端坐标系位置的变换转换成一次平移变换:

Trans[Rimcosφi(1-cosθi),Rimsinθi+(li-Δli),

Rimsinφi(1-cosθi)]

(3)

末端姿态的变换可以通过坐标系旋转得到，因此从初始坐标系Oi-1Xi-1Yi-1Zi-1到末端坐标系OiXiYiZi的空间位姿变换可以按以下4个步骤完成：

(1) 沿初始坐标系Oi-1Xi-1Yi-1Zi-1的3个坐标轴按式(3)平移得到Oi点；

(2) 绕初始坐标系Oi-1Xi-1Yi-1Zi-1的Yi-1轴旋转-φi，记为Rot(Yi-1,-φi)；

(3) 绕新的Zi-1轴旋转-θi，记为Rot(Zi-1, -θi)；

(4) 绕新的Yi-1轴旋转φi，记为Rot(Yi-1,φi)。

其中Rot(Yi-1,-φi)，Rot(Zi-1,-θi)，Rot(Yi-1,φi)分别为:

(4)

(5)

(6)

s•=sin•。

3 驱动性能测试

通过对尖端生长软体机器人系统的设计以及运动学特性和弯曲驱动性能的分析，得到了生长型软体机器人理论模型，同时需要通过对软体机器人在气体压力的驱动下生长以及转向运动模块的作用下弯曲转向过程进行运动仿真分析，验证设计方案的合理性与正确性。

Rot(Yi-1,φi)

(7)

3.1 单关节生长与转向仿真

本研究主要利用ABAQUS仿真软件中的流体腔模型进行建模分析，可以通过控制流体腔内部气体压力以及充入流体腔内部气体质量速率实现生长型软体机器人的外翻生长，生长分析步完成后建立舵机与圆片的虚拟连接线并施加相对作用力来模拟真实的舵机驱动拉力，从而产生转弯效果，建立的模型如图5所示，表2为主体生长转弯仿真模型设置的基础参数。

图5 生长与转向的仿真模型Fig.5 Simulation model for growth and steering

表2 仿真模型基础参数Tab.2 Parameters of simulation model

如图6所示为生长转向的仿真模拟过程。从状态变化过程可以看出，储存在内部的主体在流体腔压力作用下由尖端开始外翻并可以完全展开，其生长运动平稳，主体位移变化量从顶端位置向初始状态的方向逐渐减小，印证了薄膜主体在气体驱动下逐步外翻生长的连续过程的正确性，符合真实运动状态；内部折叠的主体带动转向关节固定端完全生长出后，主体在连接线拉力作用下实现了弯曲转向，其转弯点保持在固定端圆片位置。由上述可以判断转向关节可以稳定、平滑、无冲击的实现生长转向的连续运动，保证运动的稳定性和准确性，验证了外翻运动模式和舵机线驱动转向方案的可行性。

图6 生长与转向模型仿真结果Fig.6 Simulation result of growth and steering model

3.2 双关节转向仿真

在直立生长和单关节转弯仿真的基础上，为分析不同关节间转弯的相互影响，设计了如图7所示双关节生长型软体机器人形态变换仿真分析以及实验测试。所设计的主体参数与表2基本一致，不同点在于主体长度增长为1034 mm，在每个转向关节两侧均设置模拟连接器，根据需要施加对应载荷来产生相应变形。

图7 双关节转向主体仿真模型Fig.7 Simulation model of double joint steering body

图8a～图8c为双关节生长型软体机器人形态变化的仿真结果。其中图8a表示两关节连续向左转弯的状态，图8b表示向左转向后再向右转向的状态，图8c表示两关节连续向右转向的状态。3种状态间可以实现连续变换，体现了舵机线驱动转弯方案的可调性和可逆性。同时可以看出，不同关节之间的驱动互不干涉，其转弯是解耦的，大大提高了机器人运动的精度和可控性，是机器人实现主动可控的路径规划的基础。

a) 连续向左转向仿真a) Simulation of continuous left steeringb) 左右转向仿真b) Simulation of left and then right steeringc) 连续向右转向仿真c) Simulation of continuous right steeringd) 连续向左转向实验d) Experiment of continuous left steeringe) 左右转向实验e) Experiment of left and then right steeringf) 连续向右转向实验f) Experiment of continuous right steering图8 双关节模型仿真与实验结果Fig.8 Simulation and experiment results of double joint model

图8d～图8f为双关节生长型软体机器人多形态变换的实验测试过程。可以发现实验测试的3种变形与仿真模拟的对应形态吻合度高，同样可以实现多形态的位姿变换，并且在形态变换的过程中速度较快，具备了足够的运动效率。通过与各关节生长性能协调配合，可以完成复杂环境的探测任务。

4 机器人运动实验

4.1 转弯模型实验

为验证转向关节在转向运动模块作用下连接线缩短长度Δl与弯曲转向角度θ之间的关系，进行了如图9所示的连续弯曲转向实验。图9a～图9h分别代表连接线缩短10～80 mm距离对应的弯曲状态，增量为10 mm。

图9 转弯模型的验证Fig.9 Verification of steering model

由式(1)可求得各弯曲状态对应的理论弯曲角度。通过对各弯曲状态转向角度的测量，可以得到连接线缩短长度和转向角度的关系，如图10所示。当连接线缩短80 mm时，弯曲角度可达58.8°，理论弯曲角度和实验测得的角度吻合度较高，偏差较小，连接线缩短长度和弯曲角度近似线性关系，验证了转向关节弯曲转向几何特性分析的正确性。

图10 转弯模型的理论与实验曲线

4.2 多障碍环境连续生长实验

空间站内部复杂的空间环境需要尖端生长型软体机器人具有生长运动、转向避障以及多形态灵活变换能力，为此搭建了多障碍环境来测试机器人面对复杂环境的适应能力。图11为尖端生长软体机器人在障碍环境下连续生长运动的过程。设计并制作了四关节生长机器人，在生长测试中，其生长运动速度可达300 mm/s 以上，相比其他类型的软体机器人具有更高的运动效率；在多障碍环境中运动时，机器人凭借其尖端转向的可调性和可逆性，面对障碍灵活躲避并试探性地选择出最佳路径，最终到达指定位置或目标物体，验证了本研究的生长型软体机器人具有复杂环境长远距离运动的能力。