气动模块外部为硅胶，内部由真空充气管、气动腔室以及阻塞装置构成。外部空气阀连接的充气管可 以向腔室内充气，气动腔室发生形变后驱动机械臂运动，阻塞装置可以改变机械臂的刚度，便于进 行手术作业。研究者使用位置跟踪系统验证了机械臂在空间中的活动能力以及抓取能力（图7）。 图6圣安娜高等学校手术辅助软体机械臂原型 Fig.6 Sainte-Anne University's Surgical Assisted Pneumatic Arm Starting position Approaching Gripper opening Gripper closing Peg picking 图7软体机械臂空间移动和抓取实验 Fig.7 Robotic arm space movement and grasping experiment 气动型软体机器人在医疗领域也有一定的应用研究。陈刚5)]等人提出了一种可用于肠镜的软体 机器人如图8所示，通过控制肠镜末端的弯曲方向与角度，避免结肠镜检查推进与取出过程中肠镜 与肠道的不必要接触。研究者建文了软体机器人的运动学模型，并验证了模型的准确性，但并未进 录用稿件 行相应的控制设计。 Reversing valve Air supply device Proportional valve Switching power supply Arduino development board Soft robot 图8软体机械臂实验平台 Fig.8 Experimental platform of soft robot 气动型被最早应用于软体机器人的设计中，并且由于其具有重量轻、效率高、无污染、环境适应 性强等特点，以及由于可以无需铁磁或者电子元件驱动、没有活动部件、具有良好的柔韧性，在强辐 射、电磁干扰、粉尘以及外力碾压重击等恶劣条件下拥有较好的可靠性，因而气动型的软体机器人一 直受关注。气动型软体机械臂由于通过气体的压缩和舒张使其具有弯曲、握持的能力，所以它的安全 性更高，非常适合抓取易碎物品。但复杂的气腔设计使其制造过程繁杂，并且因为是气体驱动，离
气动模块外部为硅胶，内部由真空充气管、气动腔室以及阻塞装置构成。外部空气阀连接的充气管可 以向腔室内充气，气动腔室发生形变后驱动机械臂运动，阻塞装置可以改变机械臂的刚度，便于进 行手术作业。研究者使用位置跟踪系统验证了机械臂在空间中的活动能力以及抓取能力（图 7）。 图 6 圣安娜高等学校手术辅助软体机械臂原型 Fig.6 Sainte-Anne University’s Surgical Assisted Pneumatic Arm 图 7 软体机械臂空间移动和抓取实验 Fig.7 Robotic arm space movement and grasping experiment 气动型软体机器人在医疗领域也有一定的应用研究。陈刚[55]等人提出了一种可用于肠镜的软体 机器人如图 8 所示，通过控制肠镜末端的弯曲方向与角度，避免结肠镜检查推进与取出过程中肠镜 与肠道的不必要接触。研究者建立了软体机器人的运动学模型，并验证了模型的准确性，但并未进 行相应的控制设计。 图 8 软体机械臂实验平台 Fig.8 Experimental platform of soft robot 气动型被最早应用于软体机器人的设计中，并且由于其具有重量轻、效率高、无污染、环境适应 性强等特点，以及由于可以无需铁磁或者电子元件驱动、没有活动部件、具有良好的柔韧性，在强辐 射、电磁干扰、粉尘以及外力碾压重击等恶劣条件下拥有较好的可靠性，因而气动型的软体机器人一 直受关注。气动型软体机械臂由于通过气体的压缩和舒张使其具有弯曲、握持的能力，所以它的安全 性更高，非常适合抓取易碎物品。但复杂的气腔设计使其制造过程繁杂，并且因为是气体驱动，离 录用稿件，非最终出版稿
不开气泵的支持，所以整体造型笨重，欠缺灵活性。 3软体机械臂的建模与控制 精确的模型是保证闭环控制器拥有良好性能的前提。软体机械臂特定的软体结构，赋予它极好 的环境适应能力和安全交互能力，但增加了其建模的难度。软体机械臂具有无限维自由度导致它难 以像刚性机器人那样可以用6个自由度来描述，它的运动还包括弯曲、扭转、拉伸等连续的变形运动。 由于复杂的结构特性，使得难以建立完整的运动学和动力学模型，进一步给控制设计带来了极大的 挑战。 目前针对刚性机器人的建模和控制已经相当成熟，刚性机器人的运动学和动力学建模一般使用 Denavit-Hartenberg法(D-H法)。其思想是通过旋转矩阵和位置向量构造姿态矩阵，在两个连杆之 间进行坐标变换。研究者在研究软体机械臂的过程中，发现其变形后各部分曲率基本恒定的现象。因 此研究者们在此基础上，研究出适应于软体机械臂的理论一分段常曲率理论Piecewise constant curvature,PCC)。分段常曲率理论认为，一个软体机械臂是由一系列具有不向通率和不同弯曲平面的 圆弧组成。因此，可以用长度、曲率、偏转角等参数来描述空间曲线的位姿，将曲线中心轴上的点映 射到工作空间，建立齐次运动学方程矩阵，然后使用改进DH转换，将曲线末端的端点转换为任务 空间，给出从形状空间到驱动空间的变换矩阵。但是，PCC模型仅适用行固定曲率的运动学求解。 对于软体机械臂的控制问题，目前主要针对基于运动学的锭制研究虽然也有部分学者进行了 相关的动力学控制设计，但这仍然是一个复杂的问题，本文走要过论基于运动学的控制。在基于运 动学的控制中，与其他类型的机械臂相比，软体机械臂的逆运动学控制5s5网，即通过反解运动学方 程来控制曲率使机械臂位于指定的位置，也有很多困难。 因为软体臂有不同的驱动方式，这使得软体臂的驱纳空间没有统一的公式表达，并且受传感器 测量信息能力的限制，软体臂的关节空间和目标空闻也需腰特定的调整。因此，软体臂运动学模型 的建模和控制激发了大量的研究工作59。 3.1绳索驱动软体机械臂建模和控制方法 上海交通大学谷国迎等6研制出的绳索驱动的仿章鱼硅胶软体机械臂（图9），通过分段常曲 率理论(PCC)I6建立运动学模型。该方法的思想是将无限多自由度的软体机械臂转化为有限多段 恒定曲率的部分，每一段可以使用曲率、长度、偏心角等参数来描述空间曲线的位姿，进而可以得到 该段的齐次变化矩阵。此时软体机被臂的运动学建模问题就转化成了传统刚性机器人运动学问题， 应用Denavit--Hartenberg法（即D-H法，即可求出执行器末端相对于基坐标系的坐标。结合视觉伺服的 控制方法，实现机械臂的位置揆制 录用 Fixed ring 图9上海交通大学绳索驱动软体机械臂内部结构图 Fig.9 The internal structure of Shanghai Jiao Tong University's tendon driven soft robot arm 上海交通大学王贺升等例为了提高软体机械臂的环境适用性，将其应用到水下场景（图10）。 水下的环境的特殊和复杂性，比如水下有较强的外部水流和暗流的干扰，和非常大的坏境不确定性， 使得软体机械臂更加难以控制。王贺升团队使用凯恩方法建立了水下的动力学控制模型，它考虑了
不开气泵的支持，所以整体造型笨重，欠缺灵活性。 3 软体机械臂的建模与控制 精确的模型是保证闭环控制器拥有良好性能的前提。软体机械臂特定的软体结构，赋予它极好 的环境适应能力和安全交互能力，但增加了其建模的难度。软体机械臂具有无限维自由度导致它难 以像刚性机器人那样可以用6个自由度来描述，它的运动还包括弯曲、扭转、拉伸等连续的变形运动。 由于复杂的结构特性，使得难以建立完整的运动学和动力学模型，进一步给控制设计带来了极大的 挑战。 目前针对刚性机器人的建模和控制已经相当成熟，刚性机器人的运动学和动力学建模一般使用 Denavit-Hartenberg法（D-H法）。其思想是通过旋转矩阵和位置向量构造姿态矩阵，在两个连杆之 间进行坐标变换。研究者在研究软体机械臂的过程中，发现其变形后各部分曲率基本恒定的现象。因 此研究者们在此基础上，研究出适应于软体机械臂的理论—分段常曲率理论(Piecewise constant curvature, PCC)。分段常曲率理论认为，一个软体机械臂是由一系列具有不同曲率和不同弯曲平面的 圆弧组成。因此，可以用长度、曲率、偏转角等参数来描述空间曲线的位姿，将曲线中心轴上的点映 射到工作空间，建立齐次运动学方程矩阵，然后使用改进D-H转换，将曲线末端的端点转换为任务 空间，给出从形状空间到驱动空间的变换矩阵。但是，PCC 模型仅适用于固定曲率的运动学求解。 对于软体机械臂的控制问题，目前主要针对基于运动学的控制研究，虽然也有部分学者进行了 相关的动力学控制设计，但这仍然是一个复杂的问题，本文主要讨论基于运动学的控制。在基于运 动学的控制中，与其他类型的机械臂相比，软体机械臂的逆运动学控制[56-58]，即通过反解运动学方 程来控制曲率使机械臂位于指定的位置，也有很多困难。 因为软体臂有不同的驱动方式，这使得软体臂的驱动空间没有统一的公式表达，并且受传感器 测量信息能力的限制，软体臂的关节空间和目标空间也需要特定的调整。因此，软体臂运动学模型 的建模和控制激发了大量的研究工作[59] 。 3.1 绳索驱动软体机械臂建模和控制方法 上海交通大学谷国迎等[61]研制出的绳索驱动的仿章鱼硅胶软体机械臂（图9），通过分段常曲 率理论（PCC）[63]建立运动学模型。该方法的思想是将无限多自由度的软体机械臂转化为有限多段 恒定曲率的部分，每一段可以使用曲率、长度、偏心角等参数来描述空间曲线的位姿，进而可以得到 该段的齐次变化矩阵。此时软体机械臂的运动学建模问题就转化成了传统刚性机器人运动学问题， 应用Denavit-Hartenberg法(即D-H法)，即可求出执行器末端相对于基坐标系的坐标。结合视觉伺服的 控制方法，实现机械臂的位置控制。 图9 上海交通大学绳索驱动软体机械臂内部结构图 Fig.9 The internal structure of Shanghai Jiao Tong University's tendon driven soft robot arm 上海交通大学王贺升等[64]为了提高软体机械臂的环境适用性，将其应用到水下场景（图10）。 水下的环境的特殊和复杂性，比如水下有较强的外部水流和暗流的干扰，和非常大的坏境不确定性， 使得软体机械臂更加难以控制。王贺升团队使用凯恩方法建立了水下的动力学控制模型，它考虑了 录用稿件，非最终出版稿