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相比传统刚性杆件机器人，柔性体机器人(柔性体机器人包括下文所述的连续体机器人和柔体机器人)具有多项明显的优势，例如可以与环境实现安全交互、在受限空间内实现灵巧操作以及抓取非结构化物体等，因而在最近十余年成为了研究热点。相关研究的主要集中于如何高效地实现可控和(/或)适应性的变形以满足机器人的运动功能，其中涵盖了从材料到力学以及构型综合、传感、驱动、控制等各个方面的大量相关研究。 从柔性铰链机器人到连续体机器人再到柔体机器人，柔性体机器人是通过逐步引入更多的弹性元件及其变形模态而不断发展的。两篇里程碑式的综述论文对“连续体机器人”和“柔体机器人”这两个术语提出了相对严格的定义。一般来说，连续体机器人不具有可分辨的旋转关节，其形状由连续的平面或空间曲线表征。而根据第一届RoBoSoft会议和最近的综述论文，柔体机器人则由低弹性模量的材料所构成，在机器人的运动过程中可承受大变形。 在与领域内的共识保持一致的情况下从力学的角度进行分析，我们可以进一步对离散杆件机器人、连续体机器人和柔体机器人加以区分。连续体机器人的形状通常可以用串联或并联的曲线来表征，其弯转结构的截面一般假设为刚性。而柔体机器人通常承受体变形，其形状用连续应变场来描述。尽管柔性铰链机器人的运动通过关节处的变形来实现，但柔性铰链往往用旋转关节来近似建模(例如借助伪刚体模型)，因此柔性铰链机器人通常仍被认为是离散杆件机器人。又诸如著名的气动象鼻机器人，虽然其结构整体变形，但其形状通常由串联的空间曲线来表示，所以它一般被归类为连续体机器人。 不管是连续体机器人还是柔体机器人，都通过其结构形变来实现机器人功能。因此，众多研究集中着眼于探索新型材料以激发形变、尝试新型结构以实现形变、建立计算模型以描述形变、以及集成驱动传感以控制形变。 弯曲变形是所有变形之中最基本和常见的形式。上海交通大学的徐凯等主要介绍的多杆连续体机构，其最初设计目的也是为了实现机器人远端的弯曲变形。该文已经刊登在《机械工程学报》2018年第13期，感兴趣的读者可点击文后“阅读原文”浏览。 连续体机器人中实现各种运动功能的连续体机构，是连续体机器人的重要研究对象。连续体机构的机构学研究主要在结构分析和构型综合两个方面开展。结构分析主要研究其形变产生机理、弹性体动力学建模、变形标定、驱动补偿等；而构型综合以弹性体动力学和形变模型为基础，设计满足特定力、位、功能需求的连续体机构，研究范畴主要包括机构综合、运动学-动力学建模、刚度建模、参数优化等。 文章从一种多杆连续体机构的基础构型着眼，通过运动学分析，提出了这种多杆连续体机构的广义构型；通过广义构型的组合和连接，构造出了多个具有迥异输入、输出运动特性的多杆连续体机构。如图所示，以不同构型的多杆连续体机构作为核心元件，设计出了内窥镜和腹腔镜手术机器人，工业深腔机械臂，单侧和双侧康复外骨骼，以及基于欠驱动和运动合成的假肢手。 期望文章中所述范例可启发连续体机构在手术治疗、康复服务和工业生产等领域更多的创新设计和应用，从而进一步拓展机器人机构学的研究范畴和理论体系。 多杆连续体机构在多种机器人系统中的应用 徐凯等在文中展示了多杆连续体机构的多种构型及其应用。在充分理解连续体结构与驱动特点的基础上，多杆连续体机构实现了超预期的结构功能性。 单个多杆连续体构节通过反向作用，可以用作连续体差分机构，能将一路输入分解为两路或三路输出。将两个多杆连续体构节通过不同形式相连，可以得到合成连续体机构、对偶连续体机构和同向对偶连续体机构，已于手术机器人、深腔机械臂、外骨骼和假肢手等多种机器人系统上成功应用。上述应用建立在多杆连续体机构的两条基本性质之上：① 弹性杆件的结构平等性：所有杆件对连续体形成弯曲变形的贡献是相等的；② 反向可驱动性：通过弯曲连续体构节而使杆件产生位移输出，这些输出继而可以用于驱动其他连续体构节。 从本文所述示例可见，多杆连续体机构具有许多独特优势，已可应用于多种实际的场合。增加构节中弹性杆件的数量可以在不降低构节弯曲能力的情况下，显著提高多杆连续体机构的刚度、负载能力和可靠性。且冗余杆件的植入使得构节弯曲形状在一定负载下仍接近圆弧，从而使得常曲率变形假设的应用范围更加广泛，这也使得多杆连续体机构的运动学模型简洁，更易于控制实现。运动中，无须为杆件提供张紧力；构节受外力后，在杆件上产生的额外压缩/拉伸力会被动的分布在所有杆件上，这提高了构节的负载能力。多杆连续体机构不再需要中心主杆，因此构节内部总可以留出通道，以供额外的工具或末端执行器通过。 |
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