干货丨绳驱动柔性机器人约束运动规划基于 [复制链接]

01背景

一种带有冗余度的绳驱动柔性机器人可以进行轨迹跟踪任务，同时满足一些特定的约束，如通过指定方向的跟踪或者可以避免机械手障碍物碰撞。这些约束要求对机器人的运动进行合理的规划。本文推导了考虑可压缩柔性分段的绳索驱动柔性机器人的可压缩曲率运动学，研究了柔性机器人在固定方向末端执行器和机械臂避障等约束条件下的轨迹跟踪运动规划问题。将绳驱动的逆解表示为阻尼最小二乘优化问题，离线迭代求解。通过开源的仿真和原型实验，评价了轨迹跟踪的性能和对约束的服从性。该方法可以推广到类似的多段绳索驱动的柔性机器人（CDSR）系统中，通过对机器人参数的定制，实现机械手的运动规划。

柔性机器人主要由具有低杨氏模量的材料组成，与肌肉等柔性生物材料相媲美。它们可用于未来机器人辅助微创手术（R-MIS）。在R-MIS中，一些基本的可重复任务，如伤口缝合和抽血，可以自动完成，以减轻医务人员的工作量。对于机器人执行器，使用末端效应器跟踪指定轨迹构成了自动操纵的基本场景。刚性机器人在进行轨迹跟踪方面的研究已经得到了广泛的探索，而对于柔性机器人，特别是多段柔性机器人来说，仍然存在着挑战。构成机器人本体的柔性材料的弹性以及驱动方式，将给机器人建模带来复杂的变化。

约束条件下冗余度CDSR的精确无碰撞运动规划一直是该领域的重要研究课题。一方面，绳驱动机构有利于空间可操作柔性机器人的小型化。另一方面，适当的运动规划将赋予冗余度柔性机器人在约束条件下工作的能力，如基于任务的操作和机械自动避障。

传统的PCC模型（分段常曲率）在弯曲角度接近极限时往往会出现问题，但模型具有较高的精度，且弯曲角小。对于绳索驱动的柔性（连续）机器人（CDSR），需要至少3根驱动绳索才能实现空间可操作性。本文通过考虑轴压效应和节段间耦合效应，建立了一种线性级（3n+1DOFs）多段绳驱动柔性机器人的运动学模型，提高了系统的精度。

图1.CDSR的示意图。轴向压缩为紫色。r表示横截面中心与绳索通道之间的对称距离(部分修改自[8]）

图2.样机的设计和安装。

此外，还开发了多段CDSR模拟器，以说明机器人在不同约束条件下的性能，包括：（i）固定末端效应器的方向；（ii）在轨迹跟踪中避免障碍物。

图3.两段CDSR在模拟中的耦合效应(a）只有近端节段弯曲；(b）只有远端节段弯曲；(c）两段均弯曲，但近端弯曲补偿了远端弯曲；(d）两个节段都向同一方向弯曲。

图4.模拟1：在末端执行器方向固定的情况下跟踪轨迹。左：跟踪一个正方形，其顶端相对于CDSR指向“向上”。右图：跟踪一个顶端倾斜45度的8°.给出了相应的电缆驱动、顶端位置误差和顶端方向误差。

图5.模拟1：在末端执行器方向固定的情况下跟踪轨迹。左：追踪一颗7角星，顶端指向37°关于CDSR。右图：跟踪螺旋形椭圆，其顶端倾斜11.5度°.

图6.模拟2：在受限环境中跟踪轨迹，其中（a）CDSR在跟踪过程中会碰撞到障碍物；(b）通过适当的运动规划，CDSR可以避免这种碰撞，同时保持满意的轨迹跟踪精度。除了有无无碰撞运动规划外，所有条件都完全相同。

通过两段实验平台对模型进行了仿真，对模型的实际性能进行了评价，并与仿真结果进行了比较。

图7.可压缩曲率模型在柔性机器人上的验证。可见，考虑驱动相关轴向压缩因素的可压缩曲率模型能较好地预测任务空间运动。

图8.跟踪一个椭圆形的实验，其尖端垂直于地面（倾角=0°).按时间顺序的快照；驱动输入；三轴顶端定位误差和定位误差；以及整体跟踪性能。

图9.顶端倾斜跟踪椭圆的实验研究（倾斜角度=20°)

图10.柔性机械手无碰撞运动规划在障碍环境中跟踪正方形的实验研究。

在这项工作中，我们展示了一种结合可压缩曲率建模的约束运动规划方法，用于分段耦合效应下的多段绳驱动柔性机器人。机器人的建模包括由于材料弹性而导致的节段缩短。基于绳索和柔体力学，推导了执行器空间、构形空间和任务空间之间的解耦映射关系。在此基础上，我们提出了两种基于优化的运动规划算法，以扩展多自由度软机器人在约束条件下的轨迹跟踪任务的可控性和可操作性，包括固定定向末端执行器以及可以避免的障碍机械手碰撞。基于两段式机器人样机，进行了数值仿真和实际实验，验证和评价了所提出的轨迹跟踪算法和建模方法。该方法可推广应用于约束运动规划中类似的多段缆索驱动的软机器人系统。

源自arXiv,作者：JiewenLai,BoLu,QingxiangZhao,andHenryK.Chu

编译Doris，本文仅限于技术交流