万方数据
第３２卷第５期孙立宁等：连续型机器人研究综述
发而设计的．图ｌ为章鱼触手的横断面组织结构示意图【４】．在章鱼触手的轴心位置为轴向神经索，神经索外围主要有３种肌肉：横肌、纵肌和斜肌，在这３种肌肉的外围包覆有一层结缔组织．横肌的肌肉纤维与触手的长度方向垂直，并延伸至结缔组织层．从体积上看，纵肌是触手的主要组成部分，其肌肉纤维方向与触手长度方向～致，并被横肌分为上、下和左、右两对．斜肌由外部斜肌、中间斜肌以及内部斜肌３部分组成．由于章鱼触手肌肉组织的体积模量比较大，其体积无法显著改变，因此其运动是基于常体积原理而实现的：触手一组肌肉组织的收缩使触手某一维度的长度变短，与此同时，其他肌肉组织伸展使触手另一维度的长度变长，而总体积保持不变．章鱼触手的伸长动作是通过横肌的收缩和纵肌的伸长而实现；其弯曲动作则通过被横肌所分隔的两对纵肌的长度变化而实现，当触手的上部纵肌收缩而下部纵肌伸展时，触手将向上弯曲，当上部纵肌伸展而下部纵肌收缩时，触手将向下弯曲，触手的左、右弯曲则是通过左右纵肌的类似收缩和伸展而实现．除此之外，章鱼触手还可以通过斜肌的收缩而产生扭转动作．
图１章鱼触手横断面组织结构
Ｆｉｇ．１Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅｈｉｓｔｏｌｏｇｉｃａｌｓｅｃｔｉｏｎｏｆｏｃｔｏｐｕｓａｌ＂Ｈｌ
２．２连续型机器人的结构特点
仿照章鱼触手的组织结构特点，连续型机器人外形一般为圆柱形，采用连续型结构，不带任何刚性关节和连杆，可以由多段串联而成，每段均可以实现上下、左右两方向的柔顺弯曲运动，还可以实现其长度方向的伸缩运动．为了保持整个机器人的整体形状并为机器人的弯曲提供一定的弯曲刚度，连续型机器人所采用的支撑形式一般可分为以下３种：１）轴心柔性支架支撑，在机器人轴心圃结弹性复合材料类或弹簧管类柔性支架；２）表面柔性覆盖层支撑，在机器人圆柱形内表面或外表面覆盖弹性树脂层、硅胶层或其他具有一定弯曲刚度的弹性层；３）气压支撑，向连续型机器人密封内腔注入一定压力的气体以达到支撑的目的．
仿照章鱼触手的运动机理，连续型机器人一般采用４个柔性驱动装置，在其圆周方向间隔９０。均匀布置，其作用类似于章鱼触手的上下、左右纵肌，通过４个柔性驱动装置的协调运动，实现其２自由度弯曲能力．从减小机器人体积方面考虑，利用在圆周方向均匀分布的３个驱动装置也可达到同样的目的．连续型机器人的具体驱动方式分为内置驱动、外置驱动和混合驱动３种方式．内置驱动方式将驱动器置于连续型机器人本体内，实现对机器人的直接驱动．常用的内置驱动器包括：１）气动人上肌肉，利用驱动气压的改变实现驱动器长度的变化；２）记忆合金弹簧，利用通电电流所产生热量的大小改变弹簧的长度．外置驱动器驱动方式则是将驱动器置于机器人本体之外，通过连接装置将运动传递至机器人本体．这种远程驱动方式具有可以减小机器人本体体积、结构紧凑的特点．外置驱动方式的主要形式为线驱动方式，通过外部电机改变驱动线长度而驱动机器人运动．混合驱动方式为内置驱动与外置驱动的结合，一般采用气压与线驱动相结合的方式，从而不仅具有两自由度的弯曲运动能力，还具有轴向伸缩能力．
连续型机器人的优点有：１）弯曲灵活，弯曲半径小；２）外形尺寸可以很小，可在管道等狭小工作空间内运动；３）对多障碍物的非结构环境适应能力强；４）除了末端可以安装执行器完成操作外，整个机器人本体也可以作为执行器完成抓取动作．连续型机器人的缺点有：１）多自由度弯曲控制比较困难；２）控制精度不高；３）由于机器人结构的限制，其负载能力不高．
３连续型机器人研究现状（Ｓｔａｔｕｓｑｕｏｏｆｃｏｎｔｉｎｕｕｍｒｏｂｏｔｒｅｓｅａｒｃｈ）
英国Ｈｅｒｉｏｔ．Ｗａｔｔ大学的Ｒｏｂｉｎｓｏｎ和Ｄａｖｉｅｓ对连续型机器人的结构和特点进行了分析和研究，并提出将机器人分为３人类型：离散型机器人，即包括传统串并联机器人在内的关节型机器人：蜿蜒型机器人（ｓｅｒｐｅｎｔｉｎｅｒｏｂｏｔ），即由数量众多的刚性关节和短连杆而构成的机器人，如蛇形机器人；连续型机器人，即与章鱼触手等生物器官的运动机理类似，不具有刚性关节和连杆，利用弹性变形使柔性本体弯曲成光滑连续曲线而产生运动的一类新型机
器人１２］．万方数据
机器人２０１０年９月
美国Ｃｌｅｍｓｏｎ大学的Ｗａｌｋｅｒ教授和Ｇｒａｖａｇｎｅ等人对连续型机器人的结构、算法和运动控制技术进行了大量的研究，研制了多种形式的连续型机器人．其中包括如图２所示的仿象鼻子机器人【５．７】，该机器人总长为８３ｃｍ，质量为４．０ｋｇ，直径为６．３ｃｍ～１０．１ｃｍ，在结构上分为４段．机器人采用四线驱动方式实现每段的２自由度运动能力，每个自由度的最大弯曲角度为４０。．通过对各节的协调控制，该机器人可以在３维空间内灵活弯曲，并具有一定的负载能力，能实现对一定重量的圆柱形和球形物体的抓取．
图２Ｃｌｅｍｓｏｎ大学的象鼻子机器人
Ｆｉｇ．２ＥｌｅｐｈａｎｔｒｏｂｏｔｏｆＣｌｅｍｓｏｎｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
Ｗａｌｋｅｒ教授还与Ｊｏｎｅｓ等人一起研制了如图３所示的连续型机器人Ａｉｒ－Ｏｃｔｏｒ［８－９】．该机器人采用气压支撑以保持机器人的形状，这种结构的特点是不需要由柔性支柱在其中心进行支撑，从而可以释放机器人内部空间，并可以减轻自身的重量．其总长度为５０ｃｍ，外径为１０ｃｍ．利用在圆周方向均布的３根驱动绳索实现２自由度的弯曲运动控制．同时通过合理地控制其３根驱动绳索以及其内部气压，还可以实现机器人在其长度方向的伸展和收缩运动，因而整个机器人共具有３个自由度．
图３Ｃｌｅｍｓｏｎ大学的连续型机器人Ａｉｒ－Ｏｃｔｏｒ
Ｆｉｇ．３Ａｉｒ－ＯｃｔｏｒｏｆＣｌｅｍｓｏｎｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
Ｗａｌｋｅｒ教授与Ｊｏｎｅｓ的研究小组还研制了一种仿章鱼触手的连续型机器人ＯｃｔＡｒｍ［１ｍ１２１．如图４所示，该机器人利用ＭｃＫｉｂｂｅｎ气动人工肌肉作为驱动装置，机器人总长为１１０ｃｍ，在结构上分为４节，每节长度约为４０ｃｍ，每节由６段或者３段人工肌肉驱动，均具有２自由度的弯曲能力，整个机器人共具有１２个自由度．该机器人能够抓取复杂形状的物体，并可在受限工作空间内运动．其末端最大运动速度可达０．８ｍ／ｓ，在４．５ｂａｒ的压力状态下，该机器人在垂直方向的负载能力可达１２ｋｇ，在横向的负载能力可达０．５ｋｇ．Ｗａｌｋｅｒ教授和Ｊｏｎｅｓ等人还将利用气动人工肌肉驱动的连续型机器人ＯｃｔＡｒｍＶ与ＴＡＬＯＮ移动机器人平台相组合，将ＯｃｔＡｒｍ安装在ＴＡＬＯＮ机械臂的第２个关节上，构成如图５所示的机器人系统．并利用无线控制方式对该机器人系统进行了户外和有水环境的抓取能力实验，展示了该机器人对复杂环境的优良适应能力．
图４ＯｃｔＡｒｍ和ＭｃＫｉｂｂｅｎ气动人工肌肉驱动器
Ｆｉｇ．４ＯｃｔＡｒｍ
ａｎｄＭｃＫｉｂｂｃｎａｉｒｍｕｓｃｌｅａｃｔｕａｔｏｒｓ
图５ＯｃｔＡｒｍＶ与ＴＡＬＯＮ联合系统
Ｆｉｇ．５Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｃｏｍｂｉｎｉｎｇ
ＯｃｔＡｒｍＶｗｉｔｈＴＡＬＯＮ
图６ＪｏｈｎｓＨｏｐｋｉｎｓ大学的医用连续型机器人
Ｆｉｇ．６ＳｕｒｇｉｃａｌｃｏｎｔｉｎｕｕｍｒｏｂｏｔｏｆＪｏｈｎｓＨｏｐｋｉｎｓｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ美国ＪｏｈｎｓＨｏｐｋｉｎｓ大学的Ｓｉｍａａｎ等人研制了一种用于喉咙外科手术的连续型机器人【１３－１４１．如图６所示，该机器人直径为４ｍｍ．，由两段弯曲关节和
末端的夹持装置构成，共具有５个自由度．该机器万方数据
第３２卷第５期孙立宁等：连续型机器人研究综述
人在结构上主要由中心超弹性ＮｉＴｉ合金管和在长度方向等距离分布的支撑圆盘构成．在第１关节的支撑圆盘圆周方向均匀分布着３根ＮｉＴｉ合金管，这３根ＮｉＴｉ合金管具有多重作用：驱动第１关节实现２自由度弯曲运动、为第１关节提供辅助支撑、作为第２关节驱动绳索的导管．其末端夹持器由通过中心支撑合金管内部的合金丝进行驱动．它能够在狭小工作空间内实现弯曲运动和夹持动作，具有较好的医疗应用前景．
比利时的Ｐｅｉｒｓ等人研制了如图７所示的利用记忆合金驱动的内窥镜机器人弯曲关节【１５】．该弯曲关节由１２个模块组成，每２个模块构成一个单元，利用嵌入在单元里的记忆合金丝的驱动，使每个单元均可绕单元中心向左、向右旋转１５。，从而整段关节可以完成左右９０。的旋转，实现整段关节的弯曲和旋转运动．Ｐｅｉｒｓ等人还研制了另外一种用于内窥镜机器人外科手术的柔性弯曲关节段【１６】．如图８所示，在该关节段的外部包裹着超弹性ＮｉＴｉ合金管，由该合金管实现该关节段的支撑，利用均布在合金管内部圆周的４根绳索的协调运动实现关节段的弯曲运动，从而整个关节段具有２个自由度，可以在其圆周任意方向实现９０。的弯曲运动．
图７形状记忆合金驱动的弯曲关节段Ｆｉｇ．７Ｂｅｎｄｉｎｇ
ｓｅｃｔｉｏｎｗｉｔｈｓｈａｐｅｍｅｍｏｒｙａｌｌｏｙａｃｔｕａｔｏｒｓ
图８用于内窥镜机器人手术的柔性关节段Ｆｉｇ．８Ｆｌｅｘｉｂｌｅｄｉｓｔａｌｔｉｐｆｏｒｅｎｄｏｓｃｏｐｉｃｒｏｂｏｔｓｕｒｇｅｒｙ
美国斯坦福大学的Ｃａｍａｒｉｌｌｏ等人研制了一种如图９所示的连续型机器人【１７．圳．该机器人总长度约为７００ｍｍ，直径为４ｍｍ，分为３段，每段各具有２个自由度，从而整个机器人共具有６个自由度，利用四线驱动方式实现对各段的运动控制．该机器人为导管形式，利用超弹性的ＮｉＴｉ合金薄壁管作为支撑支架，内部为空心结构，可以作为摄像头等器件的数据传输通道．Ｃａｍａｒｉｌｌｏ等人还对该机器人的力学模型和运动学进行了分析和研究．
法国的Ｃｈｅｎ和Ｒｅｄａｒｃｅ等研究人员研制了一种如图１０所示的单段连续型机构Ｃｌｏｂｏｔ，其目的是将其作为结肠内窥镜的末端弯曲机构［１９１．该机构采用硅橡胶材料来保证与人体肠道的生物相容性，其外径为１７ｍｉｌｌ，内径为８ｍｍ，采用气压驱动方式．在其内部圆周方向均匀分布有６个通道，其中的３个通道为主动气压驱动通道，通过３个伺服阀进行控制，用于驱动该单段连续型弯曲机构的２自由度弯曲运动，另外的３个被动通道则用于减小由于主动通道的内部压力而造成的机构尺寸变化．该单段连续型机构在Ｏ．２ＭＰａ的气压驱动卜可以实现圆周任意方向的１２００弯曲．
图９斯坦福大学的线驱动连续型机器人
Ｆｉｇ．９ＴｅｎｄｏｎｄｒｉｖｅｎｃｏｎｔｉｎｕｕｍｒｏｂｏｔｏｆＳｔａｎｆｏｒｄｕｎｉｖｅｒｓｉ哆
图１０Ｃｌｏｂｏｔ及其横断面结构
Ｆｉｇ．１０Ｃｌｏｂｏｔａｎｄｉｔｓｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎ
图１１Ｖａｎｄｅｒｂｉｌｔ大学的连续型机器人
Ｆｉｇ．１１Ｃｏｎｔｉｎｕｕｍ
ｒｏｂｏｔｏｆＶａｎｄｅｒｂｉｌｔ
ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ万方数据
机器人２０１０年９月
美国Ｖａｎｄｅｒｂｉｌｔ大学的Ｗｅｂｓｔｅｒ等人研制了一种同心管连续型机器人（ｃｏｎｃｅｎｔｒｉｃ．ｔｕｂｅｃｏｎｔｉｎｕｕｍｒｏｂｏｔ）［２０－２１１．如图１１所示，该机器人由３段超弹性的ＮｉＴｉ合金管构成，合金管的最大直径为２．３９ｍｍ，最小直径为０．８ｍｍ，均被预先加上为某一弯曲半径的圆弧形状．较小直径合金管被置于较人直径合金管内腔以构成同心管结构，通过改变两合金管弯曲方向的相对角度即可控制该同心管的弯曲运动，并具有２个弯曲自由度，整个连续型机器人共具有６个自由度．该连续型机器人的特点是不采用线驱动或者气压驱动方式、尺寸非常小，具有较强的医疗应用价值．
韩国汉阳大学的Ｃｈｏｉ等人研制了一种弹簧骨架支撑的连续型内窥镜机器人弯曲关节【２２】．如图１２所示，该内窥镜机器人弯曲关节直径为８ｍｍ，长度为１０４ｍｍ，通过弹簧支架支撑，弹簧支架起着保持机器人的形状和为弯曲运动提供弯曲硬度的作用，机器人的运动通过其内部３根驱动绳索的协调运动而实现．整个机器人弯曲关节共具有３个自由度，除了用于实现绕轴心任意圆周方向弯曲的２个自由度之外，还具有沿其长度方向的直线运动自由度，用于实现沿轴线方向的收缩和伸长运动．
图１２基于弹簧支架结构的连续型机器人
Ｆｉｇ．１２Ｃｏｎｔｉｎｕｕｍｒｏｂｏｔｗｉｔｈｓｐｒｉｎｇｂａｃｋｂｏｎｅ
图１３英国ＯＣ机器人公刮开发的连续型机器人Ｆｉｇ．１３Ｃｏｎｔｉｎｕｕｍ
ｒｏｂｏｔｓｏｆＯＣＲｏｂｏｔｉｃＬｔｄ英国ＯＣ机器人公司是第一个将连续型机器人应用于工业并成功商品化的公司【２３．２卅．该公司所开发的连续型机器人采用电机和绳索的远程驱动方式实现对机器人各段的弯曲控制．其研制的一种丁业用连续型机器人直径为８５咖，长２．５ｍ，在结构上分为８段，每段各具有２个自由度，机器人的总弯曲角度为７２０。，并具有２０ｋｇ的负载能力．在该机器人的末端可以安装如摄像头、夹持器等操作装置．如图１３所示，除工业用连续型机器人之外，该公司还开发了用于核反应堆管道检查的连续型机器人、用于侦察领域的连续型机器人等多种形式的机器人．国内从事连续型机器人研究的单位比较少．目前，哈尔滨工业大学机器人研究所正在研制一种连续型内窥镜机器人．该机器人将连续型结构引入内窥镜系统中，利用连续型机器人的灵活弯曲能力和适合于狭小空间内运动的特点，预期研制一种既能搭载摄像头对人体上消化道或下消化道状况进行摄像以供医生检查和诊断，同时还可利用手术钳等微创诊疗工具对患病部位进行组织采样或微创手术的内窥镜机器人．
４连续型机器人的潜在应用和发展方向（Ｐｏ－ｔｅｎｔｉａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｎｄｆｕｔｕｒｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｃｏｎｔｉｎｕｕｍｒｏｂｏｔ）
连续型机器人具有良好的弯曲特性，对狭小工作空间环境和障碍物众多的非结构环境适应能力强，适合于在未知环境中工作，不仅可以像传统机器人那样在其末端安装执行器，实现抓取和夹持等动作，还可以利用其机器人本体实现对物体冉勺抓取，因此其应用范围十分广泛．如在工业领域，可在飞机翼肋隔舱等狭小工作环境内执行钻孔、涂胶等作业，在安全服务领域，可执行对核电站冷却管路的检修作业、对地震等灾难造成的塌陷建筑物内被困人员的搜救作业，在军事领域可以执行通过弯曲管道或者障碍物对目标进行侦察的作业等．这些任务均难以利用传统工业机器人实现，而利用连续型机器人则可以很好地完成任务．除此之外，医疗领域也是连续型机器人具有独特优势的重要潜在应用领域，利用连续型机器人作为微创手术的重要工具，可以对人体颅腔、腹腔、上消化道和下消化道等部位进行检查和实施微创手术．
虽然目前对连续型机器人的研究已经取得了一定进展，但还不够完善，从国内外连续型机器人研究现状来看，未米还需进行以下各方面的研究工作：
（１）新结构和新材料．连续型机器人既需要具有较好的柔性、灵活性和可靠性，同时还需要具有一定的强度以提供较大的负载能力．然而，柔性与负载能力对连续型机器人设计来说是一对矛盾，因此需要对机器人整体进行规划与优化，利用新型复合材料设计出适合于连续型机器人的高强度、高柔性
的连续型结构．万方数据
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连续型机器人研究综述
作者：孙立宁， 胡海燕， 李满天， SUN Lining， HU Haiyan， LI Mantian
作者单位：哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室,黑龙江,哈尔滨,150080
刊名：
机器人
英文刊名：ROBOT
年，卷(期)：2010,32(5)
被引用次数：1次
参考文献(24条)
1.王田苗;孟偲;裴葆青仿壁虎机器人研究综述[期刊论文]-机器人 2007(03)
2.Robinson G;Davies J B C Continuum robots-A state of the art 1999
3.Hannan M W;Walker I D Kinematics and the implementation of an elephant's trunk manipulator and other continuum style robots[外文期刊] 2003(02)
4.Walker I D;Dawson D M;Flash T Continuum robot arms inspired by cephalopods[外文会议] 2005
5.Walker I D;Hannah M W A novel 'elephant's trunk' robot[外文会议] 1999
6.Hannah M W;Walker I D The 'elephant trunk' manipulator,design and implementation 2001
7.Gravagne I A;Walker I D Manipulability,force,and compliance analysis for planar continuum manipulators[外文期刊] 2002(03)
8.Neppalli S;Jones B A;McMahan W OctArm-A soft robotic manipulator 2007
9.McMahan W;Jones B A;Walker I D Design and implementation of a multi-section continuum robot:Air-Octor 2005
10.Jones B A;Walker I D Kinematics for multisection continuum robots[外文期刊] 2006(01)
11.McMahan W;Chitrakaran V;Csencsits M Field trials and testing of the OctArm continuum manipulator [外文会议] 2006
12.Jones B A;Walker I D Practical kinematics for real-time implementation of continuum robots[外文期刊] 2006(06)
13.Simaan N Snake-like units using flexible backbones and actuation redundancy for enhanced miniaturization[外文会议] 2005
14.Xu K;Simaan N An investigation of the intrinsic force sensing capabilities of continuum robots[外文期刊] 2008(03)
15.Reynaerts D;Peirs J;Van Brussel H Shape memory microactuation for a gastro-intestinal
intervention system 1999(02)
16.Peirs J;Van Brussel H;Reynaerts D A flexible distal tip with two degrees of freedom for enhanced dexterity in endoscopic robot surgery 2002
17.Camarillo D B;Milne C F;Carlson C R Mechanics modeling of tendon-driven continuum manipulators[外文期刊] 2008(06)
18.Camarillo D B;Carlson C R;Salisbury J K Configuration tracking for continuum manipulators with coupled tendon drive[外文期刊] 2009(04)
19.Chen G;Pham M T;Redarce T Sensor-based guidance control of a continuum robot for a semi-autonomous colonoscopy[外文期刊] 2009(6/7)
20.Webster R J;Romano J M;Cowan N J Mechanics of precurvedtube continuum robots[外文期刊] 2009(01)
21.Rucker D C;Webster III R J Parsimonious evaluation of concentric-tube continuum robot equilibrium conformation[外文期刊] 2009(09)
22.Choi D G;Yi B J;Kim W K Design of a spring backbone micro endoscope[外文会议] 2007
23.Buckingham R Snake ann robots[外文期刊] 2002(03)
24.Buckingham R;Graham A Snaking around in a nuclear jungle[外文期刊] 2005(02)
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1.吴健荣.王立权.王才东.王文明.WU Jian-rong.WANG Li-quan.WANG Cai-dong.WANG Wen-ming机器人精度设计的方法研究[期刊论文]-哈尔滨工程大学学报2010,31(10)
2.周雪峰.江励.朱海飞.蔡传武.管贻生.张宪民.Zhou Xue-feng.Jiang Li.Zhu Hai-fei.Cai Chuan-wu.Guan Yi-sheng.Zhang Xian-min一个模块化机器人平台的设计[期刊论文]-华南理工大学学报（自然科学版）2011,39(4)
3.胡海燕.王鹏飞.孙立宁.赵勃.李满天.HU Haiyan.WANG Pengfei.SUN Lining.ZHAO Bo.LI Mantian线驱动连续型机器人的运动学分析与仿真[期刊论文]-机械工程学报2010,46(19)
4.江励.管贻生.蔡传武.朱海飞.周雪峰.张宪民.JIANG Li.GUAN Yisheng.CAI Chuanwu.ZHU Haifei.ZHOU Xuefeng .ZHANG Xianmin仿生攀爬机器人的步态分析[期刊论文]-机械工程学报2010,46(15)
5.刘召.陈恳.小池良典.平田泰久.小菅一弘.LIU Zhao.CHEN Ken.KOIKE Yoshinori.HIRATA Yasuhisa.KOSUGE Kazuhiro被动型舞伴机器人结构设计[期刊论文]-机器人2009,31(5)
引证文献(1条)
1.柴婷婷.丁言露机器人仿真及其自动化研究进展[期刊论文]-制造业自动化 2011(12)
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