刚柔并济 天津大学仿生机器人太空当“捕手”

近日，天津大学现代机构学与机器人学中心康荣杰副教授团队研发的一款新型连续体仿生机器人，其刚柔并济的设计像一只灵巧的手臂。目前该成果已初步应用于空间非合作目标捕获的研究，有望成为一名出色的太空“捕手”，处理失效卫星和太空碎片。研究成果以《基于几何约束的记忆合金变刚度新型连续体机器人建模与分析》为题在机器人领域国际权威期刊《机器人学研究》发表。

连续体机器人是一种形如象鼻，章鱼触须等软体生物的新型仿生机器人，它具有极强的结构柔顺性和环境适应性。因而无需配备复杂的传感系统，就能够在未知环境下执行避障探索等动作，突破了传统机器人通常只在规定空间内作业的局限性。

天津大学研发的新型连续体仿生机器人，它的本体由超弹性镍钛合金制作的中央骨架和3D打印技术制作的约束盘构成。通过均匀分布在约束盘周围的驱动丝可控制其本体结构产生主动弯曲或根据环境变化发生被动变形。在视野盲区，可利用安装在机器人末端的摄像头和机械手绕过障碍物对目标进行抓取。

为了提高其柔性结构的负载能力，课题组还在机器人内部设计了由记忆合金驱动的刚度调节机构。当机器人达到预定的操作位置后，可将驱动丝与约束盘相对锁定，进而最多可提高机器人3倍的刚度，使机器人从“柔”变“刚”。

此外，研究团队首次提出了一种利用机器人内部几何约束关系求解高冗余柔性机构大范围变形的建模理论，实现了依靠位置输出进行精确“力-位置”耦合控制的创新，揭示了传统模型难以描述的连续体多重弯曲机理。该建模理论可用于指导机器人的结构优化设计和控制算法编写。

国际电气电子工程师学会会士（IEEE Fellow），国际重要机器人期刊Robotica主编，美国机械工程师学会（ASME）机械设计终身奖获得者，本论文共同作者天津大学戴建生教授表示，该成果未来还可应用于灾难环境救援，航空发动机探修等特殊场景。

据悉，该研究团队已在机构学和机器人学领域深耕多年。《可展变胞机构的活动度分析》开创了全新的变胞机构研究，《非线性刚度驱动器的带宽和扭矩分辨率优化》给出了机器人变刚度驱动器的设计准则，《基于卡尔曼滤波的连续体机器人无模控制方法》将柔软体机器人的控制与现代控制理论融合，《机构学与机器人学的几何基础与旋量代数》是领域内里程碑式的著作。此次发表的论文是研究团队的再次突破，是该期刊自1982年创刊以来发表的2000余篇论文中以中国大陆机构为第一单位、通信单位的十余篇论文之一，也是天津大学和天津市在该期刊发表的首篇论文。