近日，通过借鉴象鼻在应对不同环境需求时进行局部刚度调控的生物行为，中山大学先进制造学院/航空航天学院吴嘉宁副教授联合大连理工大学工程力学系彭海军教授提出了一种可预编程刚度的仿生连续型机器人，解决了传统连续型机器人受材料均一性限制而引起的弯曲构型形式单一问题，进一步提高了连续型机器人与变曲率环境的共形交互能力。
该研究成果以《A Preprogrammable Continuum Robot Inspired by Elephant Trunk for Dexterous Manipulation》为题，在国际知名期刊《Soft Robotics》发表。
传统连续型机器人局限性：
连续型机器人代表了一类能够产生连续变形、具有近似无限自由度的机器人范式，在空间狭小的非结构化工作场景中展现出了巨大的应用前景。目前，连续型机器人的弯曲变形主要依赖内部支撑结构的弹性/柔顺性。然而，材料均一性会经常会导致连续型机器人呈现出等曲率的弯曲构型，限制了其与不同曲率环境的共形交互能力。
象鼻的智能化生理行为：
在连续型机器人概念提出之初，象鼻就是这种机器人最为常见的仿生对象之一，为其更新、迭代贡献了源源不断的设计灵感。在本研究中，科研人员关注：象鼻在面对变化的交互需求时总能通过肌肉的调控作用实现局部刚化，进而形成若干离散的伪铰链将连续的象鼻预先分成若干节段（即：呈现出不同的刚度梯度）。由于每个节段呈现出不同的弯曲特性，象鼻展现出了极强的环境交互能力。
为什么以张拉整体结构设计仿生连续型机器人？
基于上述的生物行为，该研究提出了一种基于张拉整体结构的仿生连续型机器人构型。这里采用张拉整体结构来构建连续型机器人机械结构的主要原因在于：张拉整体结构内部离散分布着大量的弹性元件，通过调控弹性元件结构刚度的方式，能够实现对连续型机器人局部刚度特性的预编程。因此，尽管在有限的驱动器数量、相同的驱动准则的条件下，连续型机器人依然能够克服因材料均一性而引起的变形局限性。
刚度预编程对弯曲构型的调控效果
为了探究预编程刚度对连续型机器人弯曲构型的调控效果，本研究采用位置坐标有限元法建立了连续型机器人的力学模型。通过对比不同刚度梯度下的数值仿真结果发现：通过调控连续型机器人的刚度分布能够有效地编程机器人的弯曲构型，展现出了多种非等曲率的弯曲构型，为连续型机器人赋予更强的非等曲率共形交互能力。
随后，科研人员通过3D打印的方式制作了一款12模块串联形式的连续型机器人。实验结果表明：该连续型机器人在相同的驱动条件下能够展现出O，J，L，V，U五种不同的弯曲构型，有效地提高了连续型机器人的环境共形交互能力。同时，由于该机器人仅由3个舵机驱动，降低了对控制系统的复杂性。
仿生连续型机器人的潜在应用价值
为了展示该连续型机器人的应用潜力，本研究还关注其与管路共形交互的效果。基于此共形交互能力，科研人员将视觉传感器搭载在机器人末端，进一步拓展了连续型机器人的实际工程价值，使其具备了管路探测的能力。此外，通过在其末端搭载温度传感、有害气体浓度传感等更加丰富的传感装置，能够进一步提高该连续型机器人的应用潜力。
论文信息：
Title: A Preprogrammable Continuum Robot Inspired by Elephant Trunk for Dexterous Manipulation
Authors: Jie Zhang, You Li, Ziyun Kan, Qiufeng Yuan, Hamed Rajabi, Zhigang Wu, Haijun Peng*, Jianing Wu*
Journal: Soft Robotics
Website: https://www.liebertpub.com/doi/10.1089/soro.2022.0048
DOI: 10.1089/soro.2022.0048