周正東 賈峻山 魏士松 劉傳樂(lè) 章栩苓 毛 玲

(南京航空航天大學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210016)

將仿生設(shè)計(jì)學(xué)與機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生的仿生機(jī)器人，使得機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的研究得到了極大的發(fā)展.人們?cè)趯?duì)章魚(yú)觸角、象鼻、蛇等生物的仿生學(xué)研究中誕生了連續(xù)型機(jī)器人的設(shè)計(jì)靈感[1].連續(xù)型機(jī)器人不具有傳統(tǒng)意義上的關(guān)節(jié)形式和剛性的連桿，通過(guò)彈性變形使機(jī)器人產(chǎn)生不同形狀的連續(xù)彎曲運(yùn)動(dòng)，是一種新興的仿生機(jī)器人[2].連續(xù)型機(jī)器人具有彎曲半徑小、柔性高、動(dòng)作靈活的特點(diǎn)，能夠在復(fù)雜狹小工作空間內(nèi)工作，對(duì)多障礙物和非結(jié)構(gòu)化環(huán)境具有極強(qiáng)的適應(yīng)能力[3]，其應(yīng)用前景廣闊，特別適用于微創(chuàng)醫(yī)療、核設(shè)施及航空發(fā)動(dòng)機(jī)檢修、太空未知環(huán)境探索等特殊場(chǎng)合.

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外針對(duì)連續(xù)型機(jī)器人進(jìn)行了研究，并取得了一定的進(jìn)展.在航空維修領(lǐng)域，Niu等[4]對(duì)飛機(jī)油箱檢查連續(xù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行了研究，并進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；向立清等[5]對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)原位檢測(cè)的連續(xù)型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)開(kāi)展了研究；Dong等[6]對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片檢測(cè)的連續(xù)型機(jī)器人進(jìn)行了理論探討和樣機(jī)制作.在微創(chuàng)醫(yī)療領(lǐng)域，胡海燕等[7]設(shè)計(jì)了一款用于結(jié)腸疾病檢查的醫(yī)療機(jī)器人，并對(duì)其通過(guò)性進(jìn)行了研究；楊正馨[8]研制了單孔腔手術(shù)連續(xù)型機(jī)器，并對(duì)所提出的切口式柔性桿進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)和力感知研究；Rosen等[9]研制了頭顱微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人，其末端有內(nèi)窺鏡、手術(shù)鉗和剪刀等裝置，可對(duì)患者頭顱進(jìn)行微創(chuàng)手術(shù).Sato等[10]設(shè)計(jì)了一款拆解式體內(nèi)裝配的3自由度手持式機(jī)械裝置，通過(guò)微創(chuàng)孔進(jìn)入人體對(duì)肝臟進(jìn)行超聲掃描成像；為防止器官形變而影響成像結(jié)果，Arata等[11]提出了一款具有彈性保護(hù)功能的腹腔鏡超聲掃描裝置.榮健等[12]針對(duì)蒸汽發(fā)生器出口接管焊縫的檢測(cè)問(wèn)題，基于UR10機(jī)械臂開(kāi)展了焊縫無(wú)損檢測(cè)機(jī)器人的研究.英國(guó)OC Robotics公司對(duì)工業(yè)用連續(xù)型機(jī)器人進(jìn)行了開(kāi)發(fā)，并將其產(chǎn)品成功應(yīng)用于航空、核工業(yè)等領(lǐng)域[13].

在精準(zhǔn)微創(chuàng)醫(yī)療應(yīng)用中，醫(yī)護(hù)人員時(shí)常需將檢測(cè)裝置通過(guò)微創(chuàng)孔進(jìn)入體內(nèi)并對(duì)病變組織進(jìn)行全方位檢測(cè)成像，檢測(cè)裝置需具有多自由度及高通過(guò)性；在工業(yè)無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域，核設(shè)施及狹窄腔體等特殊工況中，人員無(wú)法達(dá)到需要檢測(cè)的目標(biāo)位置，需借助機(jī)器人實(shí)施作業(yè)；由于工作環(huán)境非結(jié)構(gòu)化特性，機(jī)器人須具有良好的彎曲性及通過(guò)性，才能更好地完成經(jīng)狹窄腔開(kāi)展多方位大范圍的檢測(cè)任務(wù)，然而現(xiàn)有的機(jī)器人難以滿足上述經(jīng)狹窄腔進(jìn)行大范圍檢測(cè)作業(yè)的需求.為此，本文設(shè)計(jì)了一種新穎的連續(xù)型機(jī)器人，運(yùn)用幾何分析方法對(duì)所設(shè)計(jì)的線驅(qū)動(dòng)連續(xù)型機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)建模，分析單組關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)映射關(guān)系，并對(duì)其工作空間進(jìn)行分析；提出了多組關(guān)節(jié)協(xié)同運(yùn)動(dòng)時(shí)的解耦運(yùn)動(dòng)學(xué)算法；利用MATLAB分別對(duì)單組關(guān)節(jié)和2組關(guān)節(jié)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，以驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)學(xué)算法的可行性和有效性，為后續(xù)機(jī)器人系統(tǒng)的研制奠定了理論和技術(shù)基礎(chǔ).

1 機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析

傳統(tǒng)的連續(xù)型機(jī)器人大多都是以單根彈性芯柱狀物體作為中心骨架，且軸向沒(méi)有約束變形的機(jī)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)機(jī)器人的剛度和精度產(chǎn)生影響.影響連續(xù)型機(jī)器人剛度的主要原因?yàn)椋涸隍?qū)動(dòng)線受到張力時(shí)，對(duì)機(jī)器人的支撐連接件產(chǎn)生側(cè)向作用力，對(duì)連續(xù)型機(jī)器人的中心骨架產(chǎn)生扭矩，從而使中心骨架發(fā)生扭曲變形[14-15]，同時(shí)當(dāng)驅(qū)動(dòng)線受到張力時(shí)，中心骨架還會(huì)產(chǎn)生一定的軸向壓縮.影響連續(xù)型機(jī)器人精度的主要原因?yàn)椋簷C(jī)器人發(fā)生彎曲變形時(shí)沒(méi)有恒定的曲率[15].

為滿足經(jīng)狹窄腔開(kāi)展多自由度大范圍檢測(cè)作業(yè)的需求，并從結(jié)構(gòu)上提高連續(xù)型機(jī)器人的剛度和精度，在保證曲率恒定的前提下，防止扭曲變形及軸向壓縮變形，本文提出了一種具有萬(wàn)向節(jié)和圓柱螺旋彈簧約束的新型連續(xù)型機(jī)器人.

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

連續(xù)型經(jīng)狹窄腔檢測(cè)機(jī)器人采用圓柱形外形設(shè)計(jì)，由支撐圓筒、內(nèi)部傳動(dòng)軸、萬(wàn)向節(jié)、圓柱螺旋彈簧、驅(qū)動(dòng)線、驅(qū)動(dòng)線導(dǎo)輪、驅(qū)動(dòng)模塊組成，如圖1所示.在支撐圓筒之間采用萬(wàn)向節(jié)及圓柱螺旋彈簧作為關(guān)節(jié)支撐，可以保證機(jī)器人彎曲后具有一定的剛度和恒定的曲率.

圖1 連續(xù)型經(jīng)狹窄腔檢測(cè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖

1.2 驅(qū)動(dòng)原理

驅(qū)動(dòng)模塊中絲杠裝置的直線運(yùn)動(dòng)使驅(qū)動(dòng)線受到張力作用，且支撐圓筒間的驅(qū)動(dòng)線線長(zhǎng)發(fā)生變化，引起萬(wàn)向節(jié)的偏轉(zhuǎn)及圓柱螺旋彈簧的彎曲，從而使連續(xù)型機(jī)器人實(shí)現(xiàn)彎曲運(yùn)動(dòng)，其驅(qū)動(dòng)原理如圖2所示.

圖2 驅(qū)動(dòng)原理圖

當(dāng)?shù)?組驅(qū)動(dòng)線受到一組張力T1j并處于緊繃狀態(tài)時(shí)，第1組關(guān)節(jié)達(dá)到某種彎曲姿態(tài)并處于鎖定狀態(tài)，此時(shí)的第1組關(guān)節(jié)可視為第2組關(guān)節(jié)的“基座”；當(dāng)?shù)?組驅(qū)動(dòng)線受到一組張力T2j時(shí)，第2組關(guān)節(jié)達(dá)到某種彎曲姿態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)連續(xù)型機(jī)器人的整體驅(qū)動(dòng).當(dāng)張力T1j、T2j分別驅(qū)動(dòng)第1組、第2組關(guān)節(jié)向相同的方向彎曲，連續(xù)型機(jī)器人實(shí)現(xiàn)類(lèi)L形彎曲；當(dāng)張力T1j、T2j分別驅(qū)動(dòng)第1組、第2組關(guān)節(jié)向相反的方向彎曲，連續(xù)型機(jī)器人實(shí)現(xiàn)類(lèi)S形彎曲.

根據(jù)狹窄腔的具體結(jié)構(gòu)形狀調(diào)整連續(xù)型機(jī)器人的彎曲姿態(tài)，使末端探頭經(jīng)狹窄腔后，到達(dá)目標(biāo)位置，并通過(guò)主軸電機(jī)的旋轉(zhuǎn)將動(dòng)力傳輸至末端齒輪機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)探頭的檢測(cè)動(dòng)作，機(jī)器人彎曲檢測(cè)示意圖如圖3所示.

圖3 機(jī)器人彎曲檢測(cè)示意圖

2 連續(xù)型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)分析

線驅(qū)動(dòng)連續(xù)型機(jī)器人通常不具有剛性關(guān)節(jié)和連桿，其利用驅(qū)動(dòng)線線長(zhǎng)變化引起自身彈性變形使機(jī)器人本體發(fā)生彎曲而達(dá)到某種姿態(tài)，故該運(yùn)動(dòng)學(xué)的分析不僅包括關(guān)節(jié)空間與操作空間之間映射關(guān)系的分析，還應(yīng)包括驅(qū)動(dòng)空間與關(guān)節(jié)空間之間映射關(guān)系的分析.

所提出的線驅(qū)動(dòng)連續(xù)型機(jī)器人，各關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)相似，自由度相同，下面先以單關(guān)節(jié)段作為研究對(duì)象，建立統(tǒng)一的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，然后推廣至全部關(guān)節(jié).

2.1 單組關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

為了確定機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，在連續(xù)型機(jī)器人的第1組關(guān)節(jié)起始端支撐圓筒上端面的幾何中心、第1組關(guān)節(jié)及第2組關(guān)節(jié)最末端支撐圓筒上端面的幾何中心分別建立坐標(biāo)系O0-x0y0z0、O1-x1y1z1、O2-x2y2z2，各坐標(biāo)系的x軸指向支撐圓筒上被驅(qū)動(dòng)線L11穿過(guò)的線孔，y軸指向支撐圓筒上被驅(qū)動(dòng)線L12穿過(guò)的線孔，z軸方向由右手螺旋法則確定；連續(xù)型機(jī)器人的彎曲運(yùn)動(dòng)可分解為關(guān)節(jié)自身的彎曲運(yùn)動(dòng)和以坐標(biāo)系z(mì)軸為旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，分別用θ、φ表示彎曲角和旋轉(zhuǎn)角.單組關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型如圖4所示，圖中θ為單組關(guān)節(jié)彎曲角度，θ*為單關(guān)節(jié)段彎曲角度；繞坐標(biāo)系O0-x0y0z0的z軸旋轉(zhuǎn)φ后生成坐標(biāo)系O0-swt，繞坐標(biāo)系O0-swt的w軸旋轉(zhuǎn)-θ并平移至坐標(biāo)系O1-x1y1z1原點(diǎn)后生成坐標(biāo)系O1-s1w1t1；O0OO1平面為單組關(guān)節(jié)彎曲平面(O為軸s與軸s1的交點(diǎn))；繞坐標(biāo)系O0-swt的w軸旋轉(zhuǎn)-θ*并平移至相鄰支撐圓筒上端面幾何中心后再繞t軸旋轉(zhuǎn)-φ后生成坐標(biāo)系o1-uve.

(a) 單組關(guān)節(jié)

2.1.1 關(guān)節(jié)空間與操作空間映射關(guān)系分析

關(guān)節(jié)空間與操作空間映射關(guān)系，即關(guān)節(jié)變量θ、φ與機(jī)器人末端位姿之間的關(guān)系.在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，可由坐標(biāo)系O0-x0y0z0到o1-uve的齊次變換矩陣T表示單關(guān)節(jié)段的關(guān)節(jié)空間至操作空間運(yùn)動(dòng)學(xué)映射：

(1)

式中，θ*∈[0,π/3]，φ∈[0,2π]；θ=3θ*.

(2)

操作空間至關(guān)節(jié)空間的運(yùn)動(dòng)學(xué)映射關(guān)系分析是在已知機(jī)器人末端位置和姿態(tài)的情況下，對(duì)機(jī)器人彎曲角θ和旋轉(zhuǎn)角φ進(jìn)行求解.設(shè)n、o、a分別為單組關(guān)節(jié)末端坐標(biāo)系O1-x1y1z1的x、y、z軸所對(duì)應(yīng)的單位矢量，p為坐標(biāo)系O1-x1y1z1原點(diǎn)在坐標(biāo)系O0-x0y0z0中的位置矢量，則機(jī)器人末端位姿可由矩陣Tm表示，即

(3)

聯(lián)立式(2)和(3)，可得單組關(guān)節(jié)操作空間至關(guān)節(jié)空間的運(yùn)動(dòng)學(xué)映射關(guān)系：

θ=arccosaz

(4)

(5)

2.1.2 驅(qū)動(dòng)空間與關(guān)節(jié)空間映射關(guān)系分析

驅(qū)動(dòng)空間與關(guān)節(jié)空間映射關(guān)系指機(jī)器人彎曲時(shí)驅(qū)動(dòng)線線長(zhǎng)變化量ΔLij(i=1,2;j=1,2,3,4)與關(guān)節(jié)變量θ、φ之間的關(guān)系.根據(jù)圖4(b)所示的單關(guān)節(jié)段運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，先分析單關(guān)節(jié)段中驅(qū)動(dòng)線線長(zhǎng)變化.單關(guān)節(jié)段的彎曲角θ*和旋轉(zhuǎn)角φ是通過(guò)改變2個(gè)支撐圓筒之間90°分布的4根驅(qū)動(dòng)線的線長(zhǎng)而進(jìn)行控制的；在單關(guān)節(jié)段彎曲過(guò)程中，萬(wàn)向節(jié)和驅(qū)動(dòng)線的彎曲角度相等，但由于驅(qū)動(dòng)線在支撐圓筒端面圓周方向均勻分布，因此盡管彎曲角度相等，但彎曲曲率不同.由圖4(b)中的幾何關(guān)系，可得到驅(qū)動(dòng)線彎曲曲率半徑ρij(i=1,2;j=1,2,3,4)等于支撐圓筒上驅(qū)動(dòng)線Lij穿過(guò)的線孔與點(diǎn)O之間的距離，則單關(guān)節(jié)段第1組和第2組驅(qū)動(dòng)線線長(zhǎng)變化量為

(6)

(7)

由對(duì)單關(guān)節(jié)段的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，推廣至機(jī)器人的單組關(guān)節(jié)，可得單組關(guān)節(jié)第1組及第2組驅(qū)動(dòng)線線長(zhǎng)變化量分別為

(8)

(9)

2.1.3 單組關(guān)節(jié)工作空間分析

機(jī)器人工作空間是機(jī)器人末端所能達(dá)到的空間點(diǎn)的集合，由機(jī)械結(jié)構(gòu)及關(guān)節(jié)變量所決定，是一種重要的運(yùn)動(dòng)學(xué)指標(biāo).

由上述關(guān)節(jié)空間與操作空間映射關(guān)系式(1)～(3)，聯(lián)立式(2)和(3)，可得機(jī)器人單組關(guān)節(jié)末端坐標(biāo)為

(10)

(11)

(12)

其中，La=20 mm，Lb=24 mm，θ*∈[0,π/3]，φ∈[0，2π].

令F(θ*,φ)表示坐標(biāo)系O0-x0y0z0原點(diǎn)O0到單組關(guān)節(jié)末端在XOY平面上投影之間的距離，即

(13)

則單組關(guān)節(jié)的作業(yè)半徑rw=F(θ*,φ),單組關(guān)節(jié)最大作業(yè)半徑R等于函數(shù)F(θ*,φ)的最大值.

根據(jù)式(10)、(11)和(13)可以求得，當(dāng)θ*=0.7 rad，即單組關(guān)節(jié)彎曲角度為θ=2.1 rad時(shí)，函數(shù)F(θ*,φ)取最大值99.33 mm，即單組關(guān)節(jié)最大作業(yè)半徑R為99.33 mm.

機(jī)器人單組關(guān)節(jié)在空間運(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)于任意給定的旋轉(zhuǎn)角φ，作業(yè)半徑隨彎曲角θ(θ=3θ*，θ∈[0,π])變化的曲線如圖5所示.

圖5 作業(yè)半徑rw隨彎曲角θ變化的曲線圖

根據(jù)上述分析可確定連續(xù)型機(jī)器人單組關(guān)節(jié)末端端點(diǎn)的空間位置分布，利用MATLAB繪制其工作空間點(diǎn)云圖，如圖6所示.

(a) 三維圖

從圖6可以看出機(jī)器人工作空間為一個(gè)開(kāi)口中空球體.所提出的線驅(qū)動(dòng)連續(xù)型機(jī)器人可經(jīng)過(guò)非通直的狹窄腔后，對(duì)內(nèi)部目標(biāo)進(jìn)行多自由度大范圍靈活檢測(cè)作業(yè).與文獻(xiàn)[10-11]所提出的剛性結(jié)構(gòu)相比，所提出的結(jié)構(gòu)工作空間大，且機(jī)器人本體靈活性高、通過(guò)性強(qiáng).

2.2 多組關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)解耦分析

(14)

2組關(guān)節(jié)協(xié)同運(yùn)動(dòng)時(shí)，第2組驅(qū)動(dòng)線線長(zhǎng)變化包括2個(gè)部分：貫穿在第1組關(guān)節(jié)中的第2組驅(qū)動(dòng)線線長(zhǎng)變化和貫穿在第2組關(guān)節(jié)中的第2組驅(qū)動(dòng)線線長(zhǎng)變化.由單關(guān)節(jié)段運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，根據(jù)式(6)～(9)可得第2組驅(qū)動(dòng)線線長(zhǎng)變化量為

(15)

3 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)值仿真

在初始狀態(tài)下，各組關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)線線長(zhǎng)不發(fā)生變化，第1組關(guān)節(jié)末端在基坐標(biāo)系O0-x0y0z0中的坐標(biāo)為(0,0,132)，機(jī)器人末端在基坐標(biāo)系O0-x0y0z0中的坐標(biāo)為(0,0,264).根據(jù)前述單組關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)算法，當(dāng)?shù)?組關(guān)節(jié)單獨(dú)運(yùn)動(dòng)時(shí)，彎曲角θ∈[0,π]，旋轉(zhuǎn)角φ∈[0,2π]，等間距取50個(gè)采樣點(diǎn)，第1組關(guān)節(jié)末端位置變化曲線如圖7所示.

圖7 第1組關(guān)節(jié)單獨(dú)運(yùn)動(dòng)時(shí)末端位置變化曲線

根據(jù)前述多組關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)算法，當(dāng)2組關(guān)節(jié)協(xié)同運(yùn)動(dòng)時(shí)，可得第2組驅(qū)動(dòng)線線長(zhǎng)變化量在[-72.46,45.64] mm范圍內(nèi)變化.設(shè)第1組、第2組關(guān)節(jié)的彎曲角和旋轉(zhuǎn)角分別為θ1∈[0,π/4]和φ1∈[0,2π]、θ2∈[0,π/4]和φ2∈[0,2π]，等間距取50個(gè)采樣點(diǎn)，機(jī)器人實(shí)現(xiàn)類(lèi)L形姿態(tài)時(shí)末端位置變化曲線如圖8(a)所示.設(shè)第1組、第2組關(guān)節(jié)的彎曲角和旋轉(zhuǎn)角分別為θ1∈[0,π]和φ1∈[0,π]、θ2∈[0,π]和φ2∈[π,2π]，等間距取50個(gè)采樣點(diǎn)，機(jī)器人實(shí)現(xiàn)類(lèi)S形姿態(tài)時(shí)末端位置變化曲線如圖8(b)所示.第2組驅(qū)動(dòng)線線長(zhǎng)變化曲面圖如圖9所示.

當(dāng)2組關(guān)節(jié)協(xié)同運(yùn)動(dòng)且完成類(lèi)L形姿態(tài)的過(guò)程中，第1組、第2組關(guān)節(jié)的彎曲角和旋轉(zhuǎn)角分別為θ1∈[0,π/4]和φ1∈[0,2π]、θ2∈[0,π/4]和φ2∈[0,2π]，第1組驅(qū)動(dòng)線線長(zhǎng)變化曲面圖如圖10所示.當(dāng)僅單組關(guān)節(jié)完成類(lèi)L形姿態(tài)的過(guò)程中，彎曲角θ∈[0,π/2]、旋轉(zhuǎn)角φ∈[0,2π]，第1組驅(qū)動(dòng)線線長(zhǎng)變化曲面圖如圖11所示.

從圖10和圖11可以看出，與單組關(guān)節(jié)相比，2組關(guān)節(jié)協(xié)同運(yùn)動(dòng)并實(shí)現(xiàn)類(lèi)L形姿態(tài)時(shí)，驅(qū)動(dòng)線線長(zhǎng)變化量小，能更快地達(dá)到預(yù)定的姿態(tài)，且機(jī)器人末端可達(dá)空間位置更多，能實(shí)現(xiàn)多樣的姿態(tài)，可滿足更加復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境作業(yè)需求.

(a) 類(lèi)L形

(a) 驅(qū)動(dòng)線線長(zhǎng)變化量ΔL21

(c) 驅(qū)動(dòng)線線長(zhǎng)變化量ΔL23

(a) 驅(qū)動(dòng)線線長(zhǎng)變化量ΔL11

(c) 驅(qū)動(dòng)線線長(zhǎng)變化量ΔL13

(a) 驅(qū)動(dòng)線線長(zhǎng)變化量ΔL11

(c) 驅(qū)動(dòng)線線長(zhǎng)變化量ΔL13

4 結(jié)論

1) 結(jié)合仿生設(shè)計(jì)學(xué)在關(guān)節(jié)間引入萬(wàn)向節(jié)和圓柱螺旋彈簧約束進(jìn)行經(jīng)狹窄腔檢測(cè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)，在保證彎曲曲率恒定的前提下，可防止機(jī)械系統(tǒng)扭曲變形和軸向壓縮變形.由萬(wàn)向節(jié)與內(nèi)部傳動(dòng)軸交替連接構(gòu)成柔性軟軸，使得動(dòng)力能從驅(qū)動(dòng)端有效傳輸至機(jī)器人末端.

2) 基于幾何分析方法，提出了一種線驅(qū)動(dòng)連續(xù)型機(jī)器人單組關(guān)節(jié)單獨(dú)運(yùn)動(dòng)和多組關(guān)節(jié)協(xié)同運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)算法，建立了對(duì)應(yīng)的幾何模型和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并對(duì)機(jī)器人單組關(guān)節(jié)工作空間進(jìn)行了研究分析.在此基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出2組關(guān)節(jié)協(xié)同運(yùn)動(dòng)的解耦運(yùn)動(dòng)學(xué)算法，為多組關(guān)節(jié)協(xié)同運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)解耦分析提供了定量分析手段.

3) 所提出的連續(xù)型經(jīng)狹窄腔檢測(cè)機(jī)器人具有較好的彎曲性能和通過(guò)能力，單組關(guān)節(jié)最大可彎曲180°；其工作空間大，單組關(guān)節(jié)最大作業(yè)半徑為99.33 mm；能實(shí)現(xiàn)類(lèi)L形、類(lèi)S形的姿態(tài)變化，可滿足對(duì)狹窄腔內(nèi)目標(biāo)進(jìn)行大范圍檢測(cè)作業(yè)的需求.仿真結(jié)果表明，驅(qū)動(dòng)線線長(zhǎng)變化量曲面圖的顯示與其實(shí)際變化規(guī)律一致；由機(jī)器人末端位置變化曲線和驅(qū)動(dòng)線線長(zhǎng)變化量曲面可以看出，機(jī)器人整體運(yùn)動(dòng)平滑穩(wěn)定，所建立的模型合理有效，為后續(xù)線驅(qū)動(dòng)連續(xù)型機(jī)器人系統(tǒng)的研制奠定了理論和技術(shù)基礎(chǔ).