中空连续体机械臂的设计与主从任务转换避障控制

摘要

连续体机械臂具有优良的弯曲性能和柔顺灵活性，表现出了独特的环境适应性和人机交互安全性，在微创手术、灾后救援、狭窄空间检修等非结构化环境及家庭服务领域具有广阔的应用前景.然而，连续体机械臂的中央脊椎骨占据其内部空间，模块单元冗余且运动耦合导致避障运动困难等问题妨碍了其在实际场景中的应用.针对以上问题，设计了内部中空的丝驱动连续体机械臂，为末端执行器的电液气管线留置出了充足的物理空间，并通过鲍登管在结构上实现了模块单元间的运动解耦；考虑丝驱动连续体机械臂的弯曲特性，建立了解耦后的简化运动学模型和运动学闭环控制算法；构造了评估空间障碍物与连续体机械臂最短距离的计算方法；在传统变构型避障运动控制的基础上，提出了基于主从任务转换的避障控制算法，能够在末端轨迹跟踪约束下，实现对障碍的躲避，同时也可暂时舍弃对给定末端轨迹的跟踪以躲避位于末端运动轨迹附近的障碍物．仿真和实验结果表明：所设计的连续体机械臂具有良好的运动能力，轨迹跟踪控制的末端位置平均误差为2.510 mm，仅为连续体机械臂长度的0.32%；提出的主从任务转换避障控制算法有效，能够准确评估末端运动与避障运动的优先级，相关研究工作为连续体机械臂的设计和运动控制提供了新的参考和思路.

关键词

连续体机械臂 / 解耦 / 避障 / 主从任务转换