25、可扩展连续体机器人手臂与农业移动操作器的研究进展

可扩展连续体机器人手臂与农业移动操作器的研究进展

可扩展连续体机器人手臂的几何分析与评估

在设计可扩展连续体机器人手臂时，避免不充分配置是关键。为了确定能实现给定末端执行器位置和方向的柔性螺杆及肌腱电缆长度，需要从几何和静力学角度探讨柔性手臂的行为原理。

为简化讨论，将由基板、移动板、进给螺杆和连接它们的肌腱电缆组成的最小单元称为“段”，作为手臂的基本组件。在由肌腱电缆驱动的柔性机构中，电缆相对于柔性螺杆的布置决定了系统的行为。因此，考虑两种不同的电缆布置来确定可实现的工作空间。

当柔性螺杆末端仅受纯力矩时，会形成完美弧线。假设基板和移动板与进给螺杆正交，平面情况下一个段的自由度（DoF）为2，因为可以实现指定位置（x, y）或其中一个位置（x或y）以及移动板的方向h。基于此，至少需要两个段串联才能实现末端执行器的给定目标位置和方向。当考虑利用进给螺杆的回弹力和肌腱电缆的张力进行对抗驱动时，每个段所需的电缆和进给螺杆的基本数量为（DoF + 1），即平面手臂需要1个螺杆和2根电缆，空间手臂需要1个螺杆和3根电缆。

对于平面两段式手臂，可以指定末端执行器的位置和方向以及第二个移动板的x或y位置（通常是x位置），系统变为具有1个冗余的4自由度系统。因此，需要从无限候选方案中确定手臂的唯一配置。

基于上述原理，可以讨论两段式手臂实现目标位置和方向的几何分析方案。假设末端执行器方向垂直于地面，针对给定的末端执行器相对于原点的水平和垂直位置X2和Y2，可以绘制任意一对弧线#1和#2。由于两条弧线在连接点P1处共享一条公共切线，它们始终满足约束条件：
[R = \frac{X_2^2 + Y_2^2}{2Y_2}]
[h = \ar