浙大团队等发表连续体机器人设计、驱动、建模和控制研究综述

连续体机器人的研发灵感许多是来自象鼻、蛇和章鱼的触手等等。

连续体机器人在结构上通过一系列连续的弧线来产生弯曲运动，区别于传统的刚性机器人骨骼结构，它灵活又轻便，固有的安全性、可扩展性和低成本部件带来了无限潜力。

最近，以浙江大学工业控制技术国家重点实验室为首的团队，介绍了连续体机器人的设计、驱动、建模和控制等方面的研究进展并研究了具有本体感知能力的连续体机器人。该项研究以论文A Survey on Design, Actuation, Modeling, and Control of Continuum Robot为题发表于中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊Cyborg and Bionic Systems 中。

连续体机器人在最初主要应用于工业场景，如大规模的抓取、移动和定位，甚至局限环境下的城市搜救行动。经过数十年科学家们的开创性研究和先进材料的发展，出现了许多创新的结构设计和驱动方法。不受束缚的磁性机器人就是一个很好的例子，它的外驱动特性允许小型化，还凭借着其柔软的特性在外科手术领域得到了广泛的应用。

▍连续机器人的设计与驱动方法

一般来说，连续体机器人的驱动机构可以分为内驱动机构和外驱动机构。内部驱动典型代表为气动机器人，其变形是由内部弹性腔的膨胀引起的；外部驱动则以磁连续体机器人为代表，不同的驱动机构会给机器人带来不同的特性。

目前最常用的连续体机器人是肌腱驱动。这种机器人被广泛应用于各种手术器械的多任务操作，弯曲角度通常在106度左右，定位精度在2.0 mm左右。然而，传统的肌腱驱动连续体机器人受到传统制造工艺的限制，难以缩小到更小的规模。为了实现连续体机器人的小型化结构，许多尖端的材料被开发出来并用于实现机器人的驱动。

结合离子液体导体和肌腱驱动方法，一种具有本体感觉的连续体机器人应运而生。该机器人在低成本、可扩展的小规模连续体机器人位置反馈方面具有广阔的应用前景。为了实现准确的位置预测和不同环境下的可变刚度，团队开发了多个混合驱动连续介质机器人。通过整合气动和肌腱驱动方法，机器人展现了优秀的转向和准确的跟踪能力。

考虑到由驱动、材料弹性和对环境接触的敏感性引起的非线性变形，连续介质机器人在精确分析建模方面面临着巨大的挑战。传统的刚性连杆机器人的运动学建模完全由连杆和关节坐标的大小来定义，而连续体机器人几乎无限的自由度大大增加了其建模的复杂性。建模软连续体机器人的主要挑战之一是简化模型，降低计算复杂度和模型精度之间的关系。

那么连续体机器人的建模方法都有哪几种呢？主要有连续体模型、几何模型和数据驱动模型。

连续介质的时间推导可以用来描述应力的时间演化与应变的时间演化之间的动态关系。可根据牛顿定律，达朗伯特定律，哈密尔顿定律，边界条件与本征方程得到连续介质模型的微分方程，可以描述应力与应变随时间演化的关系。

与前者模型相比，几何模型不考虑机器人的材料属性，因此，连续体机器人的构型可以用曲线和定义机器人尖端方向的矢量表示。该方法简化了连续体机器人状态向量的维数，广泛应用于各种实时控制算法和其他需要高速计算的场合。

▍连续机器人的控制方法

目前，控制方法主要分为基于模型控制、无模型控制和混合模型控制。

其中，基于模型的控制对连续体机器人的精确建模和传感器的感知精度有着高度的依赖，在运动精度方面具有较好的表现。无模型控制方法是一种数据驱动控制方法，它基于神经网络对机器人的模型进行学习，从而实现高效控制。混合模型控制方法一般是将神经网络和物理模型相结合，利用神经网络模型对非线性因素进行补偿，以达到有效的控制精度。

此外，远程操作是医疗领域常用的连续体机器人控制方法。通过用户的视觉感知，在术中图像的帮助下，可以估计机器人的状态，用户可以相应地纠正机器人的运动。

考虑到许多应用的要求，连续体机器人的发展仍面临着一些严重的重大挑战，到目前为止还没有好的解决方案。

首先是连续体机器人的小型化。目前，只有磁驱动、光学驱动或热驱动方法最有可能实现连续体机器人的小型化，但它们往往具有高度非线性的复杂力学模型，这使其难以实现鲁棒控制。

二是增强连续体机器人感知能力。理想情况下，最理想的感知能力应能够重构具有无限自由度的机器人的配置，然而，目前只有昂贵的FBG光纤才能实现高自由度的重构。在未来，它有望与光学、机械和电子技术相结合，开发出更便宜、更适合连续体机器人的传感器。

三是开发连续体机器人物理仿真引擎。传统的刚体机器人已经有了一些比较成熟的仿真框架，但是它们不适用于具有无限自由度的连续体机器人。目前，控制算法的验证必须依赖于真实的机器人平台，这增加了成本。连续体机器人开发实时物理仿真引擎是学术界和工业界的迫切需求。

综上所述，连续体机器人近年来发展迅速，在连续体机器人的设计、驱动、建模和控制等方面已经取得了许多具有代表性的成果。这些巨大的改进促进了连续体机器人在许多领域的应用，如外科机器人、护理机器人、连续体肢体车辆、船对船加油和地外表面探索。预计连续体机器人将在社会生产和人类生活中发挥越来越重要的作用。

引用地址：Jingyu Zhang, Qin Fang, Pingyu Xiang, Danying Sun, Yanan Xue, Rui Jin, Ke Qiu, Rong Xiong, Yue Wang, Haojian Lu, "A Survey on Design, Actuation, Modeling, and Control of Continuum Robot", Cyborg and Bionic Systems, vol. 2022, Article ID 9754697, 13 pages, 2022. https://doi.org/10.34133/2022/9754697