第6期 牛国臣，等：连续型机器人运动学仿真和操控系统设计 ·1065· a 理论角度 3)操作第一关节弯曲角度为34.39°，结果如 图12(c)所示： 4)继续点击前进按钮，完成第二关节姿态 。50 跟随，此时连续型机器人姿态为弯曲角度日= 40 0,57.32,34.391,旋转角度中={0,37.83,37.83，结果 30 如图12(d所示； 5)继续点击前进按钮，直到关节姿态参数为 10 日={22.93,34.39,34.39}，Φ={15.13,37.83,37.83)，其 0 5 10 1520253035 姿态传感器的结果为0=22.93,34.39,34.391，Φ= 采样点 {17.19,37.83,36.691,样机平台图如图12(e)所示，仿 图11姿态偏差图 真图如图12（①所示。 Fig.11 Diagram of attitude deviation 根据图12(a)(e)可知，可以通过手柄进行连 3.4三关节操作实验 续型机器人末端姿态的控制，并可以实现在控制 为了验证末端跟随手柄操控方法的正确性， 过程中实现末端关节的操作，验证了连续型机器 设置连续型机器人初始状态弯曲角度为6={0,0,01， 人手柄控制策略的可行性和正确性。根据图12() 旋转角度为Φ={0,0,01。 可知，连续型机器人理论姿态和实际姿态之间存 1)操控手柄使第一关节弯曲角度为57.32°， 在误差，可知在进行多关节弯曲时，随着弯曲角 旋转角度为37.83°，结果如图12(a)所示； 度变大，连续型机器人柔性机械臂易受到重力的 2)点击前进按钮实现第一关节的姿态跟随， 影响，这是由于无法保证各关节初始时刻钢丝绳 图12(b)为姿态跟随的中间过程图； 处于绝对紧绷状态和关节处于绝对直立状态。 (a)操作a姿态 (b)操作b姿态 (c)操作c姿态 400「 300 一理论值 ·实际角度 号200 100 0 -1000 100200300400 x/mm (d操作d姿态 (e)操作e姿态 (①仿真图 图12手柄控制三关节未端跟随实验 Fig.12 Three-joint follow terminal experiment 4结束语 模组作为驱动机构，减小卷轴驱动过程中缠绕不 均带来的线长误差。 本文主要模仿蛇脊椎骨的构造设计了基于球 针对样机平台建立连续型机器人运动学模 铰链连接的连续型机器人柔性机械臂结构，柔性 型，进行空间可达仿真实验，验证连续型机器人 机械臂由各关节段穿过柔性支撑杆构成，相邻导 优越的空间可达性，建立从工作空间到姿态空间 线圆盘的球头球壳同心连接，这种结构较大程度 再到绳长变化空间、驱动空间的映射关系，并进 地保证了柔性机械臂的韧性和等曲性；使用直线 行仿真验证，验证了运动学模型和驱动映射关系0 10 5 10 15 20 25 30 35 20 30 40 50 60 70 80 90 角度/(°) 采样点 理论角度 实际角度 角度误差 图 11 姿态偏差图 Fig. 11 Diagram of attitude deviation 3.4 三关节操作实验 Θ = {0,0,0} Φ = {0,0,0} 为了验证末端跟随手柄操控方法的正确性， 设置连续型机器人初始状态弯曲角度为 ， 旋转角度为 。 1) 操控手柄使第一关节弯曲角度为 57.32°， 旋转角度为 37.83°，结果如图 12(a) 所示； 2) 点击前进按钮实现第一关节的姿态跟随， 图 12(b) 为姿态跟随的中间过程图； 3) 操作第一关节弯曲角度为 34.39°，结果如 图 12(c) 所示； Θ = {0,57.32,34.39} Φ = {0,37.83,37.83} 4) 继续点击前进按钮，完成第二关节姿态 跟随，此时连续型机器人姿态为弯曲角度 ，旋转角度 ，结果 如图 12(d) 所示； Θ = {22.93,34.39,34.39} Φ = {15.13,37.83,37.83} Θ = {22.93,34.39,34.39} Φ = {17.19,37.83,36.69} 5) 继续点击前进按钮，直到关节姿态参数为 ， ， 其 姿态传感器的结果为 ， ，样机平台图如图 12(e) 所示，仿 真图如图 12(f) 所示。 根据图 12(a)~(e) 可知，可以通过手柄进行连 续型机器人末端姿态的控制，并可以实现在控制 过程中实现末端关节的操作，验证了连续型机器 人手柄控制策略的可行性和正确性。根据图 12(f) 可知，连续型机器人理论姿态和实际姿态之间存 在误差，可知在进行多关节弯曲时，随着弯曲角 度变大，连续型机器人柔性机械臂易受到重力的 影响，这是由于无法保证各关节初始时刻钢丝绳 处于绝对紧绷状态和关节处于绝对直立状态。 (a) 操作 a 姿态 (b) 操作 b 姿态 (c) 操作 c 姿态 (d) 操作 d 姿态 (e) 操作 e 姿态 (f) 仿真图 −100 0 0 100 100 100 200 200 200 300 300 400 400 理论值 实际角度 z/mm y/mm x/mm 图 12 手柄控制三关节末端跟随实验 Fig. 12 Three-joint follow terminal experiment 4 结束语 本文主要模仿蛇脊椎骨的构造设计了基于球 铰链连接的连续型机器人柔性机械臂结构，柔性 机械臂由各关节段穿过柔性支撑杆构成，相邻导 线圆盘的球头球壳同心连接，这种结构较大程度 地保证了柔性机械臂的韧性和等曲性；使用直线 模组作为驱动机构，减小卷轴驱动过程中缠绕不 均带来的线长误差。 针对样机平台建立连续型机器人运动学模 型，进行空间可达仿真实验，验证连续型机器人 优越的空间可达性，建立从工作空间到姿态空间 再到绳长变化空间、驱动空间的映射关系，并进 行仿真验证，验证了运动学模型和驱动映射关系 第 6 期 牛国臣，等：连续型机器人运动学仿真和操控系统设计 ·1065·