伸展式超冗余机器人系统设计与实现

曾斌; 盛鑫军; 周晓华; 张晓雨; 田晓金; 张东旭

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2506087

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (9) :3626-3633 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2506087

智能机器人关键技术专栏

伸展式超冗余机器人系统设计与实现

曾斌 ¹ ,
盛鑫军 ² ,
周晓华 ¹^,^* ,
张晓雨 ¹ ,
田晓金 ¹ ,
张东旭 ¹

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Design and Implementation of Extensible Hyper-redundant Robotic System

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摘要

针对地震救援、飞机检修及核电维护等复杂受限环境中传统工业机器人部署困难、人工作业风险高等挑战,超冗余机器人凭借其高灵活性与环境适应能力成为近年来的研究热点。然而,现有基于万向节-连杆结构的传统超冗余机械臂在穿越长距离管道或隔离区时存在自由度冗余、驱动效率低等问题。为此,创新性提出一种可伸展式臂体结构设计,通过重构自由度分布模式与优化运动学模型,使机器人既具备穿越长距离隔离区域的能力,又维持了末端执行器的高精度操作性能,同时可实现待命状态下的紧凑收卷特性。进一步地,采用蒙特卡洛法对机器人工作空间进行分析,实验结果表明,伸展式超冗余机械臂工作空间体积约为传统超冗余臂体的1.78倍。最后,通过运动学仿真与物理样机实验,验证了机械臂末端的灵活运动特性。所提出的伸展式超冗余机器人为存在隔离区的复杂受限环境下的探测、采样等任务需求提供了具有显著优势的解决方案。

Abstract

To address the challenges of deploying traditional industrial robots and mitigating high-risk manual operations in complex constrained environments such as earthquake rescue, aircraft maintenance, and nuclear facility inspection, hyper-redundant robots have emerged as a research focus due to their exceptional flexibility and environmental adaptability. However, conventional hyper-redundant manipulators based on universal joint-linkage structures exhibit limitations in redundant degrees of freedom and low actuation efficiency when traversing long-distance pipelines or isolation zones. An extensible arm structure design was innovatively proposed to reconfigure the distribution of degrees of freedom and optimize the kinematic model, enabling the robot to penetrate extended isolation areas while maintaining high-precision end-effector manipulation and compact coiling capability in standby mode. Furthermore, the workspace of the proposed robot was quantitatively analyzed using the Monte Carlo method, with experimental results demonstrating that the workspace volume of the extensible hyper-redundant manipulator is approximately 1.78 times that of conventional hyper-redundant arms. Finally, the flexible motion characteristics of the robotic arm's end-effector were validated through kinematic simulations and physical prototype experiments. The developed extensible hyper-redundant robotic system provides a technically advanced solution for detection and sampling tasks in complex confined environments with isolation barriers, offering significant advantages for applications in nuclear facility maintenance and aerospace inspection scenarios.

Graphical abstract

关键词

超冗余机器人 / 绳驱动 / 结构设计 / 运动学仿真

Key words

hyper-redundant robot / cable-driven / structure design / kinematic simulation

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曾斌, 盛鑫军, 周晓华, 张晓雨, 田晓金, 张东旭. 伸展式超冗余机器人系统设计与实现[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(9): 3626-3633 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2506087

ZENG Bin, SHENG Xin-jun, ZHOU Xiao-hua, ZHANG Xiao-yu, TIAN Xiao-jin, ZHANG Dong-xu. Design and Implementation of Extensible Hyper-redundant Robotic System[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(9): 3626-3633 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2506087

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在一些复杂受限场景,比如地震废墟搜救、飞机装配检修、核电设备维护中,传统工业机器人难以部署和执行任务,而人工作业又存在着危险性高、作业环境恶劣、作业位置难以到达等问题^[1-3]。针对这些问题,研究者们开始探讨新型的机器人结构,通过在机械臂结构设计中增加自由度、增加臂长度、减少直径、采用柔性机构等方式使得臂体更加灵活,从而能够穿越复杂环境到达目标位置,执行探测、取样、焊接等任务^[4]。

目前已有许多学者对超冗余机器人的不同形态设计进行探究。比如常见的蛇形机器人,这种形式的机器人不需要额外的驱动箱,通过模仿蛇蜿蜒前行的步态来实现自主运动。东京工业大学曾设计过一款履带式蛇形机器人KOHGA,该机器人由多个履带式部件串联组成,构造出长而细的结构,可以进入狭小空间。它具有攀越障碍物的能力和适应不规则表面的能力^[5]。密歇根大学也研制过类似的履带式蛇形机器人OmniTread,其采用气动波纹管作为关节执行器,使用双面覆盖的移动履带设计,具备强大的力量和适应性,能够在各种复杂地形上自由移动^[6-7]。

此外,还有采用的驱动方式为间接驱动式的绳驱动超冗余机器人,这种形式的机器人的驱动电机往往集中安装在驱动箱中,并通过驱动绳等传动介质连接到关节处,从而实现间接驱动。该设计为电子器件的集中排布和防护及更小的臂体直径提供了可能,因此该类型的超冗余机器人在涉核环境和狭窄环境中具有更强的适应性。中国民航大学曾开发过一款后置驱动式的绳驱动连续体机械臂,该机械臂总长 1 500 mm,直径90 mm,臂体部分质量仅为 5 kg,并应用于波音 737 客机的机翼油箱检测作业^[8]。上海交通大学机器人所也是国内最早展开绳驱动超冗余机器人研究的机构之一,并设计验证了绳驱动超冗余机器人样机 SJTU-Snake系列,该机器人的蛇形臂臂体总长1 235 mm,直径 45 mm,具有较高的长径比,并具备出色的运动能力和末端定位精度^[9-12]。

除了上述的较为常见的结构形式,还有一些学者对一些特殊形态的超冗余机器人进行了研究。哈尔滨工业大学曾设计过一款分段联动式的超冗余机器人,该机器人通过主被动混合自由度关节的设计减少了驱动数目,并同时保证了机械臂具有较高的灵活度和运动能力^[13]。中国科学院近年来研制了一种仿蛇盘绕式缆驱超冗余机械臂,通过可主动调节的盘绕进给机构,实现了高度紧凑的仿生构型^[14]。

现有研究对于超冗余机器人的臂体结构的设计主要局限于传统的万向节加连杆的设计,自由度的分布也主要为均匀分布。在某些特殊场景下,超冗余机械臂需要穿过一段较长的管道或者隔离墙体才能达到作业区域。这种情况下,传统的结构设计将导致过多的冗余驱动和自由度。因此,现针对以上问题,对超冗余机器人的结构设计开展进一步的探讨,探究可伸展式臂体的可行性。最终实现机器人具备穿越较长隔离区的能力的同时,拥有较高的末端灵活性,同时保证机器人在待命状态下可收卷至有限的待命空间中。

1 伸展式超冗余机器人系统设计

所研究的伸展式超冗余机器人系统主要用于作业区域与机器人部署区域之间存在隔离区的情景,如图1所示。其中作业区域一般环境极为危险、恶劣,例如存在强辐射、瞬时高温等情况,不适合设备直接部署。所以机器人需要在部署区域通过进给运动将机械臂穿过隔离区后送入作业区域。此外,机械臂末端要尽量减少电子器件的存在,以保证能够在强辐射等危险环境中正常作业。最后,机器人需要能够在有限的部署区域内自主实现待命状态和工作状态的切换。

1.1 机器人系统总体设计分析

苛刻的工作环境对机器人系统的设计提出了巨大的挑战。在设计上主要存在以下约束和目标。

(1)待命状态尺寸:机器人需要保证能够在有限的区域内完成部署,以便对待命状态下的机器人进行保护。

(2)臂体总长度:臂体总长度需要大于隔离区长度,以保证能够将超冗余臂体送入作业区域执行任务。

(3)臂体自由度:超冗余臂体需要具备较高的自由度和灵活性,以便完成探测、取样等作业任务。

伸展式超冗余机器人系统结构如图2所示。结合上述设计目标,具体的设计参数如表1所示。

1.2 可伸展机构设计

可伸展机构的整体结构设计如图3所示,其主要由以下3部分组成:传动机构、万向机构和伸缩杆。

根据目标环境需求,机械臂需要较大行程。由于机械臂需要穿过较长的隔离区,同时需要给柔性臂提供良好的力学性能,因此采用刚性较强、传动精度高、能够扩大行程与原长比的伸缩杆作为机械臂的近端组成部分。

此外,考虑到伸缩杆在穿越管道时,管道与墙体之间可能会存在一定的垂直度偏差,而伸缩杆刚性长度较长,所以伸缩杆需要具有一定的随动能力,否则可能会与管道内部产生碰撞。因此,在传动机构与伸缩杆之间增加了万向机构,以实现伸缩杆随管道角度进行小幅度的万向运动。该万向机构最多可以实现4°的俯仰和偏航转动,满足即使存在一定的管道垂直度偏差,机械臂仍能够正常进入管道并顺应管道的倾斜角度,如图4所示。

最后,由于超冗余机械臂采用绳驱动的方式驱动,所以在伸缩杆内部需要通过若干驱动绳。我们在万向机构后端设计了传动机构。在伸缩杆收缩时,多余的驱动绳被收集储存至传动机构的滑轮组内部,而在伸缩杆伸展时,滑轮组中存储的驱动绳被还原至伸缩杆。

1.3 超冗余臂体设计

如图5所示,超冗余臂体由7个万向节机构以及7节结构形式一致但长度不一的臂体段串联组成,按照从近端到远端的顺序标记为第1~7节。为保证末端的灵活性,各个连杆的长度从近端到远端按照由长到短的方式排布。近端的连杆较长,以尽可能扩大末端可达范围,而远端的连杆较短,以提高末端灵活运动能力。

万向节关节的设计如图6所示。每个万向节关节具有俯仰和偏航两个方向的旋转自由度,并由三根钢丝绳并联驱动。三根驱动绳沿周向等间隔120°分布,且远端关节的驱动绳穿过近端关节连接至驱动模块。该结构会导致不同关节的驱动之间存在运动学耦合。

1.4 驱动模块设计

超冗余臂由7个两自由度关节组成,每个两自由度关节由3个驱动绳驱动,共需21根驱动绳,分别由21个伺服电机驱动,如图7所示。为保证运动时的控制精度,驱动部分采用丝杆滑块机构。驱动单元的直流无刷电机中间通过电机轴承座与联轴器连接到丝杆,以控制滑块运动。

此外,为方便调试和维护,驱动模块的设计采用了模块化设计,每3个驱动单元为一个驱动组,每个驱动组都可以在不影响其他驱动组的情况下进行拆装,如图8所示。这种模块化设计能够有效改善绳索更换的便捷性,降低设备维护难度与时间成本,提升整个驱动模块的可操作性与稳定性。

1.5 多自由度移动平台设计

结合作业环境的尺寸、范围等条件和作业任务需求,超冗余机械臂需要依托移动平台以实现精准定位和稳定进给运动,因此设计了多自由度移动平台如图9所示。该移动平台主要包括履带车、抬升机构和平移机构三部分。履带车实现水平面的前进、后退及旋转运动;抬升机构实现顶升和下降运动;平移机构实现左右平移运动。

2 机械臂运动学建模

基于齐次坐标变换法对伸缩杆和7个万向节组成的伸展式超冗余机械臂进行运动学建模。在实际分析中,万向节关节的两个自由度一般同时讨论,而通常D-H坐标系的建立方法会导致每个万向节需要建立两个坐标系,引入了多余的中间坐标系,反而使得分析和计算更为复杂。因此,将万向节视作一个关节,不再建立中间坐标系,以使得表达更为清晰。

伸缩杆被视为一个移动关节,记为关节1。从近端(近伸缩杆端)开始数起,依次记各个万向节关节为关节2~8。坐标系建立如图10所示。

结合上述的坐标系建立,可以推导得出各个连杆坐标系之间的变换关系。对于伸缩杆部分,由基坐标系到坐标系1的齐次变换矩阵为

(1)${H}_{1}^{0}=\mathrm{T}\mathrm{r}\mathrm{a}\mathrm{n}\mathrm{s}({z}_{0},{l}_{1})=\left[\begin{array}{llll}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& {l}_{1}\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

式(1)中:l₁为伸缩杆伸长长度。

对于超冗余臂部分,也就是当2≤i≤8时,由关节i-1到关节i的齐次坐标变换矩阵为

(2)$\begin{array}{c}{H}_{i}^{\mathrm{i}-1}=\mathrm{T}\mathrm{r}\mathrm{a}\mathrm{n}\mathrm{s}({z}_{i-1},{l}_{i-1})\mathrm{R}\mathrm{o}\mathrm{t}({x}_{i-1},{a}_{i})\mathrm{R}\mathrm{o}\mathrm{t}({y}_{i-1},{\beta }_{i})\\ =\left[\begin{array}{llll}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{a}_{i}& \mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{a}_{i}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\beta }_{i}& \mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{a}_{i}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\beta }_{i}& 0\\ 0& \mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\beta }_{i}& -\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\beta }_{i}& 0\\ -\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{a}_{i}& \mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{a}_{i}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\beta }_{i}& \mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{a}_{i}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\beta }_{i}& {l}_{i-1}\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]\end{array}$

式(2)中:a_i、β_i分别为关节i的俯仰和偏航旋转角度;l_i-₁为连杆i-1的长度。

从基坐标系到坐标系Φ_i的齐次坐标变换矩阵可以通过式(3)求得,表达式为

(3)${H}_{i}^{0}={H}_{1}^{0}{H}_{2}^{1}\dots {H}_{i}^{\mathrm{i}-1}$

通过上述分析,可以得到从基坐标系到各个连杆坐标系的齐次坐标变换关系,进而形成可伸展机械臂的正运动学模型。通过伸缩杆伸长量l_i和各个关节转角a_i、β_i可以求得所有连杆坐标系Φ_i以及末端坐标系Φ_end的位姿矩阵。

由于超冗余机械臂采用绳驱动的方式驱动,因此还需要对关节处驱动绳长变化与关节转角变化的运动学关系进行分析。需要注意的是,远端关节对应驱动绳需要通过近端关节,因此近端关节的转动也会影响远端关节的绳长变化,各个关节的驱动之间存在运动学耦合。

万向节关节的结构可以近似为一个3SPS-U机构,对关节进行几何分析如图11所示。

每个关节有三根对应驱动绳,在该关节处,从坐标系O₀-x₀y₀z₀到坐标系O₁-x₁y₁z₁的齐次坐标变换矩阵可以表示为

(4)$\begin{array}{c}{T}_{1}^{0}=\mathrm{T}\mathrm{r}\mathrm{a}\mathrm{n}\mathrm{s}(\mathrm{0,0},h)\mathrm{R}\mathrm{o}\mathrm{t}({y\text{'}}_{0},\alpha )\mathrm{R}\mathrm{o}\mathrm{t}({x}_{0},\beta )\mathrm{T}\mathrm{r}\mathrm{a}\mathrm{n}\mathrm{s}(\mathrm{0,0},h)\\ =\left[\begin{array}{llll}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\alpha & \mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\alpha \mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\beta & \mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\beta \mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\alpha & h\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\beta \mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\alpha \\ 0& \mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\beta & -\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\beta & -h\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\beta \\ -\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\alpha & \mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\alpha \mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\beta & \mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\alpha \mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\beta & h+h\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\alpha \mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\beta \\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]\end{array}$

则该关节对应的三根驱动绳的两端点坐标在坐标系O₀-x₀y₀z₀下的表示为

(5)${\mathit{P}}_{i,j}=\left[\begin{array}{l}{x}_{i,j}\\ {y}_{i,j}\\ {z}_{i,j}\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{l}-R\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\theta }_{i,j}\\ R\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\theta }_{i,j}\\ 0\\ 1\end{array}\right]$

(6)${\mathit{P}\mathit{\text{'}}}_{i,j}={T}_{1}^{0}{\mathit{P}}_{i,j}$

则驱动绳绳长在当前关节处的长度即为两端点之间的距离为

(7)$l_{i, j}=\left\|\boldsymbol{P}_{i, j}-\boldsymbol{P}_{i, j}^{\prime}\right\|$

另外,由于各个关节之间驱动绳的耦合现象,驱动绳的总绳长变化为各个关节处的绳长变化之和,即

(8)$\mathrm{d}{L}_{i,j}=\stackrel{i}{\sum _{k=2}}\mathrm{d}\mathrm{ }{l}_{i,j}^{k}$

式(8)中:d${l}_{i,j}^{k}$为第i个关节的第j根驱动绳在关节k处的绳长变化量。

通过上述分析可以获得超冗余机械臂从关节空间的关节转角到驱动空间的驱动绳长之间的运动学映射关系,同时也对各个关节之间的驱动绳长耦合现象进行了分析和运动学解耦。

3 运动学仿真

3.1 工作空间分析

基于蒙特卡洛法(Monte Carlo Method),对关节空间q∈R¹⁵进行均匀采样,结合正向运动学模型生成末端执行器的三维点云分布如图12所示。仿真结果表明,该构型在无环境约束条件下可实现长、宽、高范围分别为2.66、2.61、2.63 m的半椭球形可达工作空间。通过伸缩杆自由度的运动,使得伸展式超冗余臂体的工作空间体积约为传统超冗余臂体的工作空间的1.78倍。

3.2 机械臂运动仿真

结合具体工作场景的任务需求,对机械臂的运动仿真进行轨迹规划。在面向的工作场景中,由于机械臂大部分存在于隔离区中,而实际需要执行任务的一般为远端的若干节机械臂,且在结构设计中,远端的臂体单节长度更小,运动也更加灵活,更适合于执行具体的操作任务。因此,运动仿真主要针对远端三节臂体运动进行规划。

为验证臂体在半球形工作空间内的可达性,本文直接对关节空间运动进行规划。将对臂体在上、下、左、右、左上、左下、右上、右下共8个方向的全向运动进行运动仿真。同时,为保证运动的平滑性,使用三次多项式插值来构建超冗余机械臂的关节空间运动轨迹。

首先,将完整运动序列分解为8个方向的独立运动段,每个运动段包含正向位移和返回零位两个子阶段。以“向上”运动为例,首先驱动所有关节从零位同步偏转至目标俯仰角(正向阶段),随后以相同时间返回零位(回零阶段)。

针对每个运动子阶段,建立三次多项式角度方程,表达式为

(9)$q(t)=a_{0}+a_{1} t+a_{2} t^{2}+a_{3} t^{3}$

并通过施加起点和终点的运动学约束条件确定系数,即q(0)=0,q(T)=θ_lim。其中,θ_lim为单关节最大转角,设定为30°;T为单程运动时间,设定为5 s,以保证低速平稳性。速度曲线和加速度曲线直接通过多项式微分获得,表达式为

(10)$\left\{\begin{array}{l}\stackrel{·}{q}\left(t\right)={a}_{1}+2{a}_{2}t+3{a}_{3}{t}^{2}\\ \stackrel{··}{q}\left(t\right)=2{a}_{2}+6{a}_{3}t\end{array}\right.$

在仿真中,多个万向节关节进行同步驱动。如图13中关节6~8的运动曲线所示,各关节在相同时间窗内执行完全一致的角度变化。三次多项式在相邻运动段衔接处满足C¹连续性(位置与速度连续),尽管加速度在段间存在阶跃变化,但其幅值被限制在±7.2(°)/s²以内。超冗余臂末端三节臂体运动仿真结果如图14所示。

4 实验验证

实验搭建的样机实物如图15所示。该样机控制系统采用上位机、下位机和驱动模块三层架构。上位机为微型工控机,下位机采用STM32F407作为信号中转,驱动器采用高性能伺服电机。上位机与下位机之间通过UDP协议进行通信,下位机与驱动模块之间通过CAN通讯进行信号传输。

为了验证所设计结构的可行性,在样机上进行了末端运动功能验证,该运动全过程在伸缩杆完全伸展的状态下进行。运动过程如图16所示。

5 结论

提出了一种伸展式超冗余机器人结构设计,结合了伸缩杆与超冗余臂的优势,使得机器人在具有穿越长距离隔离区域能力的同时,能够完成末端的灵巧作业任务。与传统超冗余机械臂结构相比,该设计能够实现更高的驱动效率和更大的工作空间,并同时保证对不同环境的适应能力和待命状态下的体积控制。所提出的设计特别适用于核电设备维护、地震救援等复杂受限环境,为实际应用提供了更加安全、高效的解决方案。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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