·926· 工程科学学报，第39卷，第6期 触手另一组织纤维变长，而总体积保持不变.章鱼触 将多段超灵巧机械臂串联而成，将前段顶部连接基座 手有3种主要动作，伸长、弯曲和扭曲.其中弯曲动作 与后段底部连接基座固联即可.从而实现更高的自由 是通过被横机分隔的两对纵肌的长度变化而实现的， 度，以实现复杂空间的可达性 当触手的上部纵肌收缩而下部纵肌伸展时，触手向上 钢丝累动绳 弯曲.当上部纵肌伸展而下部纵肌收缩时，触手将向 1号电机 1号节点 下弯曲.章鱼触手的伸长、扭曲动作也通过肌肉的复 合动作来实现) 牵引转盘 虎克铰关节 连接基座 高压水射流内胆3号节点 图5仿章鱼触手清洗臂简化结构图 Fig.5 Simply structural diagram of the imitation octopus tentacle cleaning arm 仿章鱼触手清洗机械臂的工作原理图如图6所 图4章鱼触手横截面组织图[5) 示，轮船在港口或船坞停靠及可实现清洗工作.超灵 Fig.4 Octopus tentacle eross-sectional organization images] 巧机械臂高压清洗机械臂的具体工作实现通过搭载在 1.3仿生结构设计 吸附式机器人上对轮船螺旋桨进行射流清洗.其中超 通过对章鱼触手仿生学设计可以实现高自由度的 灵巧机械臂根据螺旋桨的空间复杂程度串联若干节单 特点，但是传统的柔性连续体机器人的驱动单元和承 段超灵巧机械臂，其动力及控制部分由轮船甲板上的 载单元多为柔性介质，如记忆合金和橡胶等。但其承 动力控制箱提供.通过高压输水管与控制线缆对吸附 载能力有限，本文对其承载装置进行替换，驱动装置替 式机器人控制，从而实现对轮船螺旋桨的清洗.同时 换为高强度钢丝绳，承载部分替换为高强度虎克铰 也避免了人工下水清洗的危险与普通转刷清洗时难以 关节 接触复杂空间的问题.同时也无需进入船坞清洗，只 原理样机简化机构如图5所示.直径为200mm, 需港口停靠即可实现清洗工作.为轮船螺旋桨的自动 总长度为l000mm.由若干节可弯曲关节构成.每节 化清洗提供了一种可行方案 关节有2个自由度.其机械结构由钢丝驱动绳、虎克 动力控制箱 铰关节、关节连接所用轴承、顶部与底部基座以及包裹 卷扬机 在柔性支柱中的高压水射流管道组成.其中高压水射 海平而 流内胆为聚氨酯弹性体复合管道，具有良好的延伸性 与弹性.在保证清洗臂有良好的柔性基础下，并具备 一定的刚度.驱动介质为钢丝驱动绳，通过4根钢丝 船舶 控制线缆 驱动绳中的1~2根驱动来实现任意方向的弯曲，类似 高压输水管 于章鱼触手的纵肌作用.虎克铰关节不仅有支撑机械 臂整体的作用，还可以保证机械臂实现各方向的弯曲。 摞旋浆 其中底部基座类似于章鱼触手的横肌作用，起到分割 吸附式机器人 纵肌的作用.底部基座还可以连接数条类似单段连续 清洗机械臂 机械臂，实现更高的灵活性扩大可达空间.其中，每个 单段超灵巧机械臂需要两个电机的驱动.1号电机通 图6仿章鱼触手清洗机械臂工作原理图 过带动牵引转盘的旋转，驱动与1号节点和3号节点 Fig.6 Working principle chart of the imitation octopus tentacle cleaning arm 固定连接的钢丝绳.从而实现在空间单平面内的弯曲 运动.同理在两个电机的复合驱动下，超灵巧机械臂 2机器人运动学分析 可以实现空间任意方向的弯曲.而水射流内胆则是实 现高压水的输出，对螺旋桨进行清洗工作.图示装置 由于连续型机器人结构不同于关节型机器人的刚 为简化装置，在实际工作中可以通过图中的连接基座 性连杆结构，因此对连续型机器人运动学的研究不再工程科学学报,第 39 卷,第 6 期 触手另一组织纤维变长,而总体积保持不变. 章鱼触 手有 3 种主要动作,伸长、弯曲和扭曲. 其中弯曲动作 是通过被横机分隔的两对纵肌的长度变化而实现的, 当触手的上部纵肌收缩而下部纵肌伸展时,触手向上 弯曲. 当上部纵肌伸展而下部纵肌收缩时,触手将向 下弯曲. 章鱼触手的伸长、扭曲动作也通过肌肉的复 合动作来实现[15] . 图 4 章鱼触手横截面组织图[15] Fig. 4 Octopus tentacle cross鄄sectional organization image [15] 1郾 3 仿生结构设计 通过对章鱼触手仿生学设计可以实现高自由度的 特点,但是传统的柔性连续体机器人的驱动单元和承 载单元多为柔性介质,如记忆合金和橡胶等. 但其承 载能力有限,本文对其承载装置进行替换,驱动装置替 换为高强度钢丝绳,承载部分替换为高强度虎克铰 关节. 原理样机简化机构如图 5 所示. 直径为 200 mm, 总长度为 1000 mm. 由若干节可弯曲关节构成. 每节 关节有 2 个自由度. 其机械结构由钢丝驱动绳、虎克 铰关节、关节连接所用轴承、顶部与底部基座以及包裹 在柔性支柱中的高压水射流管道组成. 其中高压水射 流内胆为聚氨酯弹性体复合管道,具有良好的延伸性 与弹性. 在保证清洗臂有良好的柔性基础下,并具备 一定的刚度. 驱动介质为钢丝驱动绳,通过 4 根钢丝 驱动绳中的 1 ~ 2 根驱动来实现任意方向的弯曲,类似 于章鱼触手的纵肌作用. 虎克铰关节不仅有支撑机械 臂整体的作用,还可以保证机械臂实现各方向的弯曲. 其中底部基座类似于章鱼触手的横肌作用,起到分割 纵肌的作用. 底部基座还可以连接数条类似单段连续 机械臂,实现更高的灵活性扩大可达空间. 其中,每个 单段超灵巧机械臂需要两个电机的驱动. 1 号电机通 过带动牵引转盘的旋转,驱动与 1 号节点和 3 号节点 固定连接的钢丝绳. 从而实现在空间单平面内的弯曲 运动. 同理在两个电机的复合驱动下,超灵巧机械臂 可以实现空间任意方向的弯曲. 而水射流内胆则是实 现高压水的输出,对螺旋桨进行清洗工作. 图示装置 为简化装置,在实际工作中可以通过图中的连接基座 将多段超灵巧机械臂串联而成,将前段顶部连接基座 与后段底部连接基座固联即可. 从而实现更高的自由 度,以实现复杂空间的可达性. 图 5 仿章鱼触手清洗臂简化结构图 Fig. 5 Simply structural diagram of the imitation octopus tentacle cleaning arm 仿章鱼触手清洗机械臂的工作原理图如图 6 所 示,轮船在港口或船坞停靠及可实现清洗工作. 超灵 巧机械臂高压清洗机械臂的具体工作实现通过搭载在 吸附式机器人上对轮船螺旋桨进行射流清洗. 其中超 灵巧机械臂根据螺旋桨的空间复杂程度串联若干节单 段超灵巧机械臂,其动力及控制部分由轮船甲板上的 动力控制箱提供. 通过高压输水管与控制线缆对吸附 式机器人控制,从而实现对轮船螺旋桨的清洗. 同时 也避免了人工下水清洗的危险与普通转刷清洗时难以 接触复杂空间的问题. 同时也无需进入船坞清洗,只 需港口停靠即可实现清洗工作. 为轮船螺旋桨的自动 化清洗提供了一种可行方案. 图 6 仿章鱼触手清洗机械臂工作原理图 Fig. 6 Working principle chart of the imitation octopus tentacle cleaning arm 2 机器人运动学分析 由于连续型机器人结构不同于关节型机器人的刚 性连杆结构,因此对连续型机器人运动学的研究不再 ·926·