杭州电子科技大学硕士学位论文 第一章绪论 1.1研究背景和意义 机器人按照其基本构成材料可分为刚性机器人和软体机器人。传统意义上的机器人一般 为刚性连杆通过旋转关节连接而成，每个连杆实现一个自由度，这种结构使刚性机器人具有 精确的建模方式，能够实现准确的运动控制。目前传统机器人己经广泛应用于军事、工业、 科学探索等领域，代替人类在一些极端环境中工作，然而，刚性结构也使得机器人的环境适 应能力差，在狭小和崎岖环境的行动受到限制，约束了刚性机器人在某些领域的应用，如军 事活动中，由于隐蔽性要求希望侦查机器人能够钻过灌木丛、山缝等尺寸小，形状复杂的通 道：灾难救援工作中，希望救援机器人能够越过废墟、坍塌区并进行深入探测：科学探测中， 希望机器人能够进入非结构化的未知环境中等。这些环境对机器人的材质、结构都有一定的 要求，刚性机器人有时不能完全满足工作的需要。 近些年来，研究人员针对刚性机器人在这方面的不足，开辟了软体机器人新领域。在软 体机器人的研究和设计中，研究人员利用软体动物的生物机理，将软体动物结构的优势应用 于机器人领域，这类机器人称为仿生软体机器人。相对于刚性机器人，其提高了自身的柔性， 并且增加了更多自由度，使得这类机器人成为高冗余度机器人，在与环境交互方面起到了重 要的作用。以下是软体仿生机器人的优点： (1)柔性更大 软体仿生机器人的机理是仿生自然界软体动物，其外部材料一般是硅胶等可承受较大应 变的柔软材料。这种材料增加了机器人的柔性，对于抓取机械臂来说，够保护目标物体，减 少不必要的损失。 (2)灵活性高 相比于传统机器人的刚性结构，每一个刚性连杆实现一个自由度，软体机器人则拥有柔 性致动器和柔软材料的外皮，其中致动器包括SMA(形状记忆合金)、EPA(电活性聚合物)、 PAM(气动肌肉)和线缆等。这种柔性结构赋予机器人更多的自由度和连续变形能力，能够 在一定范围内任意改变自身形状和尺寸，更具灵活性。 (3)操作空间范围大 对于传统机器人，所有连杆的运动组合形成机器人末端执行器的操作空间。而软体仿生 机器人拥有较多自由度，某些特殊功能软体机器人甚至有伸缩功能，这些特性增大了软体机 器人的操作空间。 软体机器人的这些优势弥补了传统机器人的不足，能够在非结构化环境工作，具有广泛 的应用前景，因而也具有重要的研究价值。软体仿生机器人就是模仿自然界生物的外部形状 万方数据杭州电子科技大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 1.1 研究背景和意义 机器人按照其基本构成材料可分为刚性机器人和软体机器人。传统意义上的机器人一般 为刚性连杆通过旋转关节连接而成，每个连杆实现一个自由度，这种结构使刚性机器人具有 精确的建模方式，能够实现准确的运动控制。目前传统机器人已经广泛应用于军事、工业、 科学探索等领域，代替人类在一些极端环境中工作，然而，刚性结构也使得机器人的环境适 应能力差，在狭小和崎岖环境的行动受到限制，约束了刚性机器人在某些领域的应用，如军 事活动中，由于隐蔽性要求希望侦查机器人能够钻过灌木丛、山缝等尺寸小，形状复杂的通 道；灾难救援工作中，希望救援机器人能够越过废墟、坍塌区并进行深入探测；科学探测中， 希望机器人能够进入非结构化的未知环境中等。这些环境对机器人的材质、结构都有一定的 要求，刚性机器人有时不能完全满足工作的需要。 近些年来，研究人员针对刚性机器人在这方面的不足，开辟了软体机器人新领域。在软 体机器人的研究和设计中，研究人员利用软体动物的生物机理，将软体动物结构的优势应用 于机器人领域，这类机器人称为仿生软体机器人。相对于刚性机器人，其提高了自身的柔性， 并且增加了更多自由度，使得这类机器人成为高冗余度机器人，在与环境交互方面起到了重 要的作用。以下是软体仿生机器人的优点： （1） 柔性更大 软体仿生机器人的机理是仿生自然界软体动物，其外部材料一般是硅胶等可承受较大应 变的柔软材料。这种材料增加了机器人的柔性，对于抓取机械臂来说，够保护目标物体，减 少不必要的损失。 （2） 灵活性高 相比于传统机器人的刚性结构，每一个刚性连杆实现一个自由度，软体机器人则拥有柔 性致动器和柔软材料的外皮，其中致动器包括 SMA（形状记忆合金）、EPA（电活性聚合物）、 PAM（气动肌肉）和线缆等。这种柔性结构赋予机器人更多的自由度和连续变形能力，能够 在一定范围内任意改变自身形状和尺寸，更具灵活性。 （3） 操作空间范围大 对于传统机器人，所有连杆的运动组合形成机器人末端执行器的操作空间。而软体仿生 机器人拥有较多自由度，某些特殊功能软体机器人甚至有伸缩功能，这些特性增大了软体机 器人的操作空间。 软体机器人的这些优势弥补了传统机器人的不足，能够在非结构化环境工作，具有广泛 的应用前景，因而也具有重要的研究价值。软体仿生机器人就是模仿自然界生物的外部形状 万方数据