中国科学院宁波材料技术与工程研究所精密驱动与机器人团队利用了绳索的高效力传导以及具有本质柔性的特点,研发了具有多个关节模块的绳索驱动连续体机器人臂,绳驱动机器人臂采用多根轻质绳索协同驱动,与传统主动关节驱动的机器人臂不同,绳驱动机器人臂是由被动关节支撑,主动绳索驱动,由于主动绳索的驱动装置全都安装在机座上,因此绳驱动机器人臂具有自重轻、转动惯量小和易于实现变刚度控制等优点,既能够产生本质安全的运动,也能达到较高的载重-自重比。
团队研发的绳驱动机器人臂由8个关节模块组成,可实现16自由度的连续弯曲变形,可通过控制绳索的张力来改变机器人臂的刚度,机器人臂的中间则采用了液压软管作为支撑结构,它既可实现连续变形又具有在拉、压、扭转等需要限制变形的方向刚度大的特点,易于实现较高精度的建模与控制。目前,机器人臂驱动绳索张力可达200N,单个关节模块可承载1.5-2Kg,定位精度可达到±2mm,机器人臂可承载500-1000g,重复定位精度10-15mm。
绳驱动连续体机器人臂具有广阔的工业应用前景,如采用多个绳驱动关节模块的超冗余机器人臂可以像蛇一样在狭小的空间操作,可从事如飞机发动机内部检测和维修任务等;由于绳索驱动机器人的电机和控制电路远离末端执行器,易于实现与使用环境隔离,也非常适应环境恶劣的工作场所等。此外,轻量化、模块化的变刚度绳驱动机器人臂也可以应用于社会服务领域,与人类进行安全的交互与协作,实现人机共融。
以上工作得到国家自然科学基金联合基金项目(U1909215)、国家自然科学基金面上及青年基金(51475448、51705510)、中国科学院创新研究院项目(C2018005)等项目资助。相关研究成果已发表期刊文章5篇,并申报了发明专利2项。
绳驱动连续体机器人样机