大數(shù)據(jù)文摘轉(zhuǎn)載自機(jī)器人大講堂

你知道什么是連續(xù)型機(jī)器人嗎？這類機(jī)器人可以稱得上是機(jī)器人中的“眼鏡蛇”，以其強(qiáng)悍的靈活性和柔順性著稱。它們?cè)卺t(yī)療介入手術(shù)、狹小空間檢測、工業(yè)及生活輔助等非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中具有十分廣泛的應(yīng)用場景。

例如用于微創(chuàng)手術(shù)的達(dá)芬奇Vinci SP介入手術(shù)機(jī)器人、美國Tesla公司的蛇形充電機(jī)器人以及德國Festo公司的柔性機(jī)械臂等。

那么問題來了，同是機(jī)器人，為什么它們這么靈活？原因在于連續(xù)型機(jī)器人通過顛覆傳統(tǒng)剛性機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得自身具備大量冗余“自由度”，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)靈活運(yùn)動(dòng)和柔順變形。

然而，也正是因?yàn)榇嬖诖罅咳哂唷白杂啥取?，使得?duì)連續(xù)型機(jī)器人的感知帶來巨大挑戰(zhàn)！目前，各種感知手段，包括：視覺運(yùn)動(dòng)捕捉、拉力傳感器、光纖光柵測量、磁場分布測量等等，都難以通過單一途徑實(shí)現(xiàn)對(duì)連續(xù)型機(jī)器人的多種運(yùn)動(dòng)模態(tài)的同步感知，這也嚴(yán)重影響并制約連續(xù)型機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中的未來發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用。

針對(duì)這些問題，近日，大連理工大學(xué)的彭海軍教授團(tuán)隊(duì)從線（又稱繩索或肌腱）驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)機(jī)理出發(fā)，提出了一種線驅(qū)動(dòng)連續(xù)型機(jī)器人的多模態(tài)感知方法，即在僅使用線驅(qū)動(dòng)長度數(shù)據(jù)的條件下，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)型機(jī)器人動(dòng)態(tài)位形、張力分布以及驅(qū)動(dòng)狀態(tài)的多模態(tài)同步感知功能。

該項(xiàng)研究成果以《Morphology and Tension Perception of Cable-Driven Continuum Robots》為題，在線發(fā)表于國際權(quán)威期刊《IEEE/ASME Transactions on Mechatronics》。

困難在哪里？

從力學(xué)角度來看，線驅(qū)動(dòng)連續(xù)型機(jī)器人多模態(tài)感知就是線驅(qū)動(dòng)長度變化在彈性變形和滑動(dòng)摩擦等各種非線性因素作用下，如何準(zhǔn)確獲取連續(xù)型機(jī)器人的外在動(dòng)態(tài)行為變化以及內(nèi)在張力分布變化等多種模態(tài)信息。

目前，外部視覺測量，可以輕松獲取連續(xù)型機(jī)器人的動(dòng)態(tài)行為，但無法直接獲取內(nèi)在張力分布；拉力傳感器，可以方便測量連續(xù)型機(jī)器人拉線一端的張力大小，但不能代表整個(gè)線長度方向的內(nèi)力分布；光纖光柵更是存在變形誤差的累積問題，等等。

這些感知設(shè)備和手段僅在單一模態(tài)感知方面都存在一些困難，因此研發(fā)團(tuán)隊(duì)做出大膽試想，不使用視覺測量設(shè)備，是否可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)行為變化的感知？不使用拉力傳感器，是否可以實(shí)現(xiàn)線驅(qū)動(dòng)張力分布的感知？甚至是否可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)行為變化，內(nèi)在張力分布，甚至驅(qū)動(dòng)狀態(tài)等等這些多模態(tài)信息的同步感知呢？

如何實(shí)現(xiàn)？

多模態(tài)信息其實(shí)早已蘊(yùn)含在線驅(qū)動(dòng)連續(xù)型機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型中，只是暫時(shí)被表面極度復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)模型所掩蓋罷了，需要一雙“慧眼”去發(fā)覺多模態(tài)信息的寶藏。

彭海軍教授團(tuán)隊(duì)建立了包含線驅(qū)動(dòng)變形、摩擦和松弛等非線性因素的連續(xù)型機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型，通過深刻領(lǐng)悟和理解動(dòng)力學(xué)模型的曼妙之美，最終破解了多模態(tài)信息同步感知的科學(xué)問題。

在這項(xiàng)研究工作中，他們首先發(fā)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)線長度的運(yùn)動(dòng)學(xué)變量與內(nèi)在張力分布的動(dòng)力學(xué)變量之間的非線性互補(bǔ)關(guān)系，根據(jù)已知線驅(qū)動(dòng)長度感知線長度方向張力分布，同時(shí)感知驅(qū)動(dòng)線的張緊或松弛狀態(tài)；

然后在所建立的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型中引入已知張力分布，進(jìn)而感知外在動(dòng)態(tài)行為變化；最終在僅適用驅(qū)動(dòng)線長度信息的情況下，實(shí)現(xiàn)連續(xù)型機(jī)器人的動(dòng)態(tài)位形、張力分布以及驅(qū)動(dòng)狀態(tài)的多模態(tài)同步感知功能。

效果怎么樣？

平臺(tái)搭建完畢后，研究人員們開始了線驅(qū)動(dòng)連續(xù)型機(jī)器人多模態(tài)感知效果實(shí)驗(yàn)，他們先分別進(jìn)行了2根線驅(qū)動(dòng)和3根線驅(qū)動(dòng)，連續(xù)型機(jī)器人樣機(jī)完成轉(zhuǎn)動(dòng)、彎曲和扭轉(zhuǎn)動(dòng)作，并根據(jù)驅(qū)動(dòng)線長度變化感知形態(tài)變化，基本與樣機(jī)視頻一致。

然后在同樣的線驅(qū)動(dòng)情況下，根據(jù)同樣的驅(qū)動(dòng)線長度感知張力和驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，并與張力傳感器測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)感知張力與測量張力吻合度較好。

最后，除了感知連續(xù)型機(jī)器人的自由運(yùn)動(dòng)，還可以在連續(xù)型機(jī)器人受到外載荷作用下，感知形態(tài)、張力和驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，也都和測量結(jié)果具有很好的匹配效果。

未來應(yīng)用潛力

這項(xiàng)研究工作表明：通過連續(xù)型機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型，研究團(tuán)隊(duì)可以在不使用其他感知設(shè)備的條件下，僅使用線驅(qū)動(dòng)長度數(shù)據(jù)即可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)位形、張力分布及驅(qū)動(dòng)狀態(tài)的多模態(tài)同步感知。

這不僅為連續(xù)型機(jī)器人的精確控制提供了大量反饋信息，還解決了現(xiàn)有各種感知設(shè)備僅能單一模態(tài)感知，無法多模態(tài)同步感知的困難，更是大大降低連續(xù)型機(jī)器人對(duì)感知設(shè)備的依賴。

使得在狹小空間等非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中，無法安裝外部測量設(shè)備以及不增加自身額外設(shè)備的情況下，準(zhǔn)確獲取多模態(tài)信息。因此我們看到，多模態(tài)感知技術(shù)使得連續(xù)型機(jī)器人在未來更多實(shí)際需求場景中發(fā)揮更大價(jià)值。

論文信息：

Morphology and Tension Perception of Cable-Driven Continuum RobotsZhongzhen Liu, Zhiqin Cai*, Haijun Peng*, Xingang Zhang, Zhigang WuIEEE/ASME TRANSACTIONS ON MECHATRONICSDOI:10.1109/TMECH.2022.3198093https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/9882181