近日，大连理工大学力学与航空航天学院力学系、工业装备结构分析优化与CAE软件全国重点实验室彭海军教授团队，在机器人动力学与控制基础研究方面取得突破性进展，成果“绳驱张拉连续型机器人的位姿跟踪控制”（Position and orientation tracking control of a cable-driven tensegrity continuum robot）在机器人专业顶级期刊《IEEE机器人汇刊》（IEEE Transactions on Robotics，TRO）上发表论文。这是以大连理工大学为第一单位在该期刊上发表的首篇学术论文。
该研究通过建立绳驱张拉连续型机器人的多体系统动力学模型，提出末端轨迹跟踪瞬时最优控制方法，率先突破了连续型机器人末端位置-姿态协同精准跟踪控制技术瓶颈。彭海军为论文的唯一通讯作者，团队的助理研究员李飞为第一作者。上海交通大学机械与动力工程学院谷国迎教授，大连理工大学机械工程学院王永青教授、力学与航空航天学院博士生杨浩为共同作者。
连续型机器人因自身细长结构特点和连续大变形能力，具有出色的狭小环境适应性和人机交互安全性等优势。特别是在完成柔顺和灵巧操作任务时，需要连续型机器人末端具备精准“定位”和“对正”技术能力。然而，当前研究工作主要侧重末端位置的精准控制，忽略了对末端姿态的控制。为解决此痛点问题，该研究首先基于仿生学思想，设计了一种基于张拉整体结构的仿脊椎张拉连续型机器人（tensegrity continuum robot，TCR）（见图1）。
图1 TCR的结构与驱动一体化创新设计：（a）张拉柔性铰，（b）装配，（c） TCR的本体结构，（d）实物样机
以上述TCR为被控对象，其末端位姿协同控制所面临的主要挑战在于：第一，TCR是一类典型的高度欠驱动系统，姿态的引入将使驱动空间与任务空间呈现更加复杂的映射关系；第二，TCR的运动涉及空间大范围的刚性移动和转动，且与弹性变形互相影响、强烈耦合，这种大变形柔性结构和非线性动态特性导致传统基于运动学的机器人控制方法难以达到理想的任务性能。
图2 不同空间曲线的末端位置与姿态轨迹协同跟踪控制结果
针对上述挑战，彭海军教授团队融合位置坐标有限元和多体系统动力学，创新性地将原连续系统的全时域最优控制问题近似为一系列离散时间区段的次优控制问题，提出了一套基于微分-代数方程（differential algebraic equation，DAEs）动力学模型的末端位-姿协同跟踪的高性能瞬时最优控制算法框架，实现了TCR末端位置相对误差小于1.7%、姿态角度均方根误差小于3°、平均单步闭环控制时间小于10毫秒的高精度快速跟踪控制（见图2）。通过在末端搭载摄像头，展示了该控制技术在装备结构检测中的潜在应用场景（见图3）。
图3 潜在应用场景：TCR搭载摄像头开展结构狭小的内部环境探测
该研究成果在重大装备智能化领域具有广阔应用前景，可用于航空发动机、核电站反应堆、空间在轨维护等重大装备内部狭小空间的检测与操作。同时，在民用领域也可应用于智能养老与陪护辅助系统、医疗微创外科手术机器人等新兴产业，推动服务机器人向更高层次的功能集成与场景适应性发展。（来源：力学与航空航天学院 作者：李飞 编辑：李梦瑶 常思萌 余小涵）
原文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/10891749
