第15卷第6期 智能系统学报 Vol.15 No.6 2020年11月 CAAI Transactions on Intelligent Systems Nov.2020 D0L:10.11992/tis.202005031 连续型机器人运动学仿真和操控系统设计 牛国臣，张云霄 (中国民航大学机器人研究所，天津300300) 摘要：为了适应越来越复杂的非结构化环境，设计了一种基于球铰链连接和柔性支撑杆结合的线驱动连续型 机械臂，并基于常曲率模型的假设建立连续型机器人的运动学模型，研究连续型机器人驱动映射关系，利用 MATLAB进行运动学和驱动映射的仿真，仿真结果表明连续型机器人的空间优越性。搭建三关节连续型机器 人样机平台，基于连续型机器人的特点设计末端关节跟随手柄操作模式，并在样机平台上实验验证，实验结果 表明了运动学模型和驱动映射关系的合理性和正确性以及操控方式的可行性。 关键词：连续型机器人；末端跟随：操控方式：运动学模型：柔性机械臂：空间转换：手柄控制：三关节 中图分类号：TP242文献标志码：A文章编号：1673-4785(2020)06-1058-10 中文引用格式：牛国臣，张云雪.连续型机器人运动学仿真和操控系统设计.智能系统学报，2020,15(6)：1058-1067. 英文引用格式：NIU Guochen,ZHANG Yunxiao..Kinematics simulation and control system design of continuous robot J.CAAI transactions on intelligent systems,2020,15(6):1058-1067. Kinematics simulation and control system design of continuous robot NIU Guochen,ZHANG Yunxiao (Robotics Institute,Civil Aviation University of China,Tianjin 300300,China) Abstract:To enable robotic adaptation to increasingly complex unstructured environments,we designed a wire-driven continuous manipulator that combines a spherical joint and flexible support rod.To study the drive-mapping relation of the continuous robot,we established a kinematics model based on the assumptions of the constant curvature model,and we used MATLAB to simulate the kinematics and drive mapping.The spatial superiority of the continuous robot is demonstrated by the simulation results.We built a prototype platform for the three-joint continuous robot,and designed the handle operation mode for the end joint based on the characteristics of the robot.Experimental verification was per- formed on the prototype platform.Our experimental results verify both the rationality and correctness of the kinematic model and drive mapping relationship and the feasibility of the manipulation method. Keywords:continuous robot;follow terminal;control mode;kinematic model;flexible manipulator,space transforma- tion:handle control:three joints 民航飞机油箱中存在大量的诸如油管、隔 前，很多研究者对连续型机器人在人体手术8列 板、桁条等障碍物，并且有大量易燃易爆气体，是 燃气涡轮发动机维修、核电厂检修等领域的 一个结构复杂、空间狭窄的环境，在其中进行人 应用进行了探索。 工作业难度高、劳动强度大，并且存在安全隐患， 由于连续型机器人各个关节之间具有耦合 因此需要一种能够替代人工检查的装置。相 性，不能将其每一个关节看作一个操作关节，其 比于传统的刚性连杆机器人，连续型机器人具有 操作方法也是一项具有挑战的任务。钱文欢 多冗余自由度、驱动器和控制器分离的特点，理 等41设计了一种仿象鼻混合关节的连续型机器 论上可以达到空间上的任一点“：1，因此更加灵 人，对机器人的机械结构、运动学等进行了分析， 活、安全，更加适用于飞机油箱检查任务m。目 并搭建了两关节的混合关节机器人。该机器人由 收稿日期：2020-05-25 离散关节和连续关节串联而成，其各个关节之间 基金项目：天津科技支撑计划项目(17 ZXHLGX00120):中央高 校基本科研业务费项目(3122019043). 并非为连续的，所以其本质仍然是多关节串联机 通信作者：牛国臣.E-mail:niu_guochen@139.com 械臂。Li等提出了一种新型的连续体机器人，DOI: 10.11992/tis.202005031 连续型机器人运动学仿真和操控系统设计 牛国臣，张云霄 （中国民航大学 机器人研究所，天津 300300） 摘 要：为了适应越来越复杂的非结构化环境，设计了一种基于球铰链连接和柔性支撑杆结合的线驱动连续型 机械臂，并基于常曲率模型的假设建立连续型机器人的运动学模型，研究连续型机器人驱动映射关系，利用 MATLAB 进行运动学和驱动映射的仿真，仿真结果表明连续型机器人的空间优越性。搭建三关节连续型机器 人样机平台，基于连续型机器人的特点设计末端关节跟随手柄操作模式，并在样机平台上实验验证，实验结果 表明了运动学模型和驱动映射关系的合理性和正确性以及操控方式的可行性。 关键词：连续型机器人；末端跟随；操控方式；运动学模型；柔性机械臂；空间转换；手柄控制；三关节 中图分类号：TP242 文献标志码：A 文章编号：1673−4785(2020)06−1058−10 中文引用格式：牛国臣, 张云霄. 连续型机器人运动学仿真和操控系统设计 [J]. 智能系统学报, 2020, 15(6): 1058–1067. 英文引用格式：NIU Guochen, ZHANG Yunxiao. Kinematics simulation and control system design of continuous robot[J]. CAAI transactions on intelligent systems, 2020, 15(6): 1058–1067. Kinematics simulation and control system design of continuous robot NIU Guochen，ZHANG Yunxiao (Robotics Institute, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300, China) Abstract: To enable robotic adaptation to increasingly complex unstructured environments, we designed a wire-driven continuous manipulator that combines a spherical joint and flexible support rod. To study the drive-mapping relation of the continuous robot, we established a kinematics model based on the assumptions of the constant curvature model, and we used MATLAB to simulate the kinematics and drive mapping. The spatial superiority of the continuous robot is demonstrated by the simulation results. We built a prototype platform for the three-joint continuous robot, and designed the handle operation mode for the end joint based on the characteristics of the robot. Experimental verification was per￾formed on the prototype platform. Our experimental results verify both the rationality and correctness of the kinematic model and drive mapping relationship and the feasibility of the manipulation method. Keywords: continuous robot; follow terminal; control mode; kinematic model; flexible manipulator; space transforma￾tion; handle control; three joints 民航飞机油箱中存在大量的诸如油管、隔 板、桁条等障碍物，并且有大量易燃易爆气体，是 一个结构复杂、空间狭窄的环境，在其中进行人 工作业难度高、劳动强度大，并且存在安全隐患， 因此需要一种能够替代人工检查的装置[1-3]。相 比于传统的刚性连杆机器人，连续型机器人具有 多冗余自由度、驱动器和控制器分离的特点，理 论上可以达到空间上的任一点[4-6] ，因此更加灵 活、安全，更加适用于飞机油箱检查任务[7]。目 前，很多研究者对连续型机器人在人体手术[8-9] 、 燃气涡轮发动机维修[10] 、核电厂检修[11] 等领域的 应用进行了探索。 由于连续型机器人各个关节之间具有耦合 性，不能将其每一个关节看作一个操作关节，其 操作方法也是一项具有挑战的任务[12-13]。钱文欢 等 [14-15] 设计了一种仿象鼻混合关节的连续型机器 人，对机器人的机械结构、运动学等进行了分析， 并搭建了两关节的混合关节机器人。该机器人由 离散关节和连续关节串联而成，其各个关节之间 并非为连续的，所以其本质仍然是多关节串联机 械臂。Li 等 [16] 提出了一种新型的连续体机器人， 收稿日期：2020−05−25. 基金项目：天津科技支撑计划项目 (17ZXHLGX00120)；中央高 校基本科研业务费项目 (3122019043). 通信作者：牛国臣. E-mail：niu_guochen@139.com. 第 15 卷第 6 期 智 能 系 统 学 报 Vol.15 No.6 2020 年 11 月 CAAI Transactions on Intelligent Systems Nov. 2020