中科院寧波材料所新型繩驅動連續體機器人研究取得進展

據中國科學院寧波材料技術與工程研究所報道，工業機器人已被越來越多地替代人類重複性勞動，並取得了很好的效果。但隨著機器人在各個領域的應用越來越廣泛，在製造業和社會服務領域的部分應用場合，對機器人作業提出了更高的要求，傳統的剛性機器人由於驅動裝置（包括電機、減速器等）安裝於機器人關節處，導致整體機構笨重，且連桿為剛性結構，對人類安全形成了潛在威脅。

此外，機器人本體剛度大且難於實現柔順控制，導致其不能很好地適應環境。具有本質柔性，結構輕量且靈活性高的柔性協作機器人可很好地彌補現有工業機器人的不足，拓展機器人的應用領域。

現有的柔性機器人研究大多是採用流體、凝膠、形狀記憶等材料，使機器人能夠在氣壓、電流、磁場等外部輸入的控制下實現大幅度的拉伸收縮，但是一方面由於機器人的柔順性和高精度本身是一對矛盾體，大應變的同時必然會導致機器人的控制精度變差。

另一方面，由於大的形變很難實現精確測量，因此現有的驅動材料尚無法做到像生物的肌肉組織一樣既具有本質的柔性又能保證控制精度和承載能力，從而導致柔性協作機器人無法達到實用化的程度。

中國科學院寧波材料技術與工程研究所精密驅動與機器人團隊利用了繩索的高效力傳導以及具有本質柔性的特點，研發了具有多個關節模組的繩索驅動連續體機器人臂，繩驅動機器人臂採用多根輕質繩索協同驅動。

與傳統主動關節驅動的機器人臂不同，繩驅動機器人臂是由被動關節支撐，主動繩索驅動，由於主動繩索的驅動裝置全都安裝在機座上，因此繩驅動機器人臂具有自重輕、轉動慣量小和易於實現變剛度控制等優點，既能夠產生本質安全的運動，也能達到較高的載重-自重比。

繩驅動連續體機器人樣機

團隊研發的繩驅動機器人臂由8個關節模組組成，可實現16自由度的連續彎曲變形，可透過控制繩索的張力來改變機器人臂的剛度，機器人臂的中間則採用了液壓軟管作為支撐結構，它既可實現連續變形又具有在拉、壓、扭轉等需要限制變形的方向剛度大的特點，易於實現較高精度的建模與控制。

目前，機器人臂驅動繩索張力可達200N，單個關節模組可承載1。5-2Kg，定位精度可達到±2mm，機器人臂可承載500-1000g，重複定位精度10-15mm。

繩驅動連續體機器人臂具有廣闊的工業應用前景，如採用多個繩驅動關節模組的超冗餘機器人臂可以像蛇一樣在狹小的空間操作，可從事如飛機發動機內部檢測和維修任務等；由於繩索驅動機器人的電機和控制電路遠離末端執行器，易於實現與使用環境隔離，也非常適應環境惡劣的工作場所等。

此外，輕量化、模組化的變剛度繩驅動機器人臂也可以應用於社會服務領域，與人類進行安全的互動與協作，實現人機共融。