杭州电子科技大学硕士学位论文 Plastic Top Plates Section Middle Section Base Section 图1.8HMA机械臂模型18) 每一段HMA的原始长度为150mm,三个HMA安置在硬的圆形塑料环中，两两间距2/3 的角度。在液压范围为0-6bars的条件下，HMA的最大平均伸长量为45mm,最大平均收 缩量为20mm. 4)线缆驱动 线驱动型机械臂顾名思义就是利用内嵌线缆的拉力实现手臂的弯曲等运动。目前出现的 较为成熟的样机是欧洲章鱼计划研究的硅胶线驱动章鱼臂如图1.9（ā）。线驱动章鱼臂结构较 为简单，由硅胶外套、内嵌线缆和必要的传感器组成，不同样机之间的区别主要在内嵌线缆 的数量、位置和分段等方面。 (a) (b) 图1.9线驱动机械臂样机和内嵌线缆放置方式 图1.9(b)中在坐标轴上距离中心相等位置径向平行放置四根线缆，位置如图T,T2,T,T4。 而在整个章鱼臂中，线缆并不是完整的一段，而是分段平行放置在硅胶管中，整个手臂可以 放置n段线缆，这也造成线驱动章鱼臂样机的不同。 1.2.4控制方式 相对于传统刚性机器人来说，软体机器人有较多的自由度，整个结构能发生弹性形变， 并且没有关节去控制或测量。正是软体连续机器人的这种多自由度并且高度非线性化的特性 使得其运动控制研究成为一项挑战。传统的控制方法例如：逆运动学方法、滑模和阻抗控制、 人工势函数方法，这些方法依赖于精确的数学模型且每个自由度上需要独立的反馈控制。因 此对于软体连续机械臂而言，需研究人员要寻求新的控制方法。这里介绍受启发于章鱼神经 > 万方数据
杭州电子科技大学硕士学位论文 7 图 1.8 HMA 机械臂模型[18] 每一段 HMA 的原始长度为 150mm，三个 HMA 安置在硬的圆形塑料环中，两两间距 2π/3 的角度。在液压范围为 0 − 6 bars 的条件下，HMA 的最大平均伸长量为 45mm，最大平均收 缩量为 20mm。 4）线缆驱动 线驱动型机械臂顾名思义就是利用内嵌线缆的拉力实现手臂的弯曲等运动。目前出现的 较为成熟的样机是欧洲章鱼计划研究的硅胶线驱动章鱼臂如图 1.9（a）。线驱动章鱼臂结构较 为简单，由硅胶外套、内嵌线缆和必要的传感器组成，不同样机之间的区别主要在内嵌线缆 的数量、位置和分段等方面。 y z i3 T i 1 T i2 T i4 T （a） （b） 图 1.9 线驱动机械臂样机[19]和内嵌线缆放置方式 图 1.9（b）中在坐标轴上距离中心相等位置径向平行放置四根线缆，位置如图 1 2 3 4 , , , i i i i T T T T 。 而在整个章鱼臂中，线缆并不是完整的一段，而是分段平行放置在硅胶管中，整个手臂可以 放置 n 段线缆，这也造成线驱动章鱼臂样机的不同。 1.2.4 控制方式 相对于传统刚性机器人来说，软体机器人有较多的自由度，整个结构能发生弹性形变， 并且没有关节去控制或测量。正是软体连续机器人的这种多自由度并且高度非线性化的特性 使得其运动控制研究成为一项挑战。传统的控制方法例如：逆运动学方法、滑模和阻抗控制、 人工势函数方法，这些方法依赖于精确的数学模型且每个自由度上需要独立的反馈控制。因 此对于软体连续机械臂而言，需研究人员要寻求新的控制方法。这里介绍受启发于章鱼神经 万方数据
杭州电子科技大学硕士学位论文 控制的CNS-PNS控制。 研究发现章鱼在同一运动中展现出固定运动模式的特性，比如分别在到达运动、弯曲和 自发的伸长（前方没有目标物）等运动中，章鱼的速度轮廓几乎完全相同20。这一特性的发 现减少了章鱼手臂运动的冗余度并且简化了实际控制问题。章鱼操控手臂运动采用分层神经 控制方法。大脑中的中枢神经系统(CNS)是高级控制，发送控制指令传达给各个手臂中的 外围神经系统(PNS),PNS诱导相应的手臂完成目标运动。 受到这种控制方式的启发，文献2提出一种将章鱼生理神经控制转化为现实的控制器方 式，即CNS-PNS控制。如表1.1所示典型的CNS指令。 表1.1典型的CNS输出指令 动作 CNS输出指令 伸长 C,B。0。 S。te 收缩 C B. 8 Se te 弯曲 Cr Br ne n or S Se2 Sea Sta te 到达 C,Be日Se te 表中，C,表示运动模式的确认，B。表示最终肩位和位置，O表示最终斜肌的激活，S (S,S2,S3,S4)表示最终纵肌的激活，t表示完成动作的输出时间。弯曲运动中需要增 加参数ng、Ⅱm,卫表示弯曲运动中被激活的段，n表示弯曲运动中在ng以上和以下被 激活的段数。主控制器CNS将向量形式的运动指令发送给位于手臂中的PNS控制器，PNS转利 用输出指令构造约束函数并使相应独立致动元件动作。 仿生章鱼柔性臂因其软体结构、多自由度、适应水下环境等优势具有重要研究意义，本 文从建模及控制方面，对仿生章鱼柔性臂进行研究，设计并实现了三维稳态条件下的角度控 制和动态环境中的目标获取运动。 1.3论文的研究内容和章节安排 本文以仿生章鱼臂机器人为研究对象，建立运动学和动力学模型，在此模型基础上利用 MATLAB进行仿真章鱼臂运动过程中角度控制和获取目标的动态过程。设计并实现章鱼臂姿 势自动输出系统，完成从期望手臂姿势的图片输入，经过对期望曲线的数据分析，到最终实 现同样弯曲角度的手臂姿势的过程。通过相关优化算法提高计算过程的精度，利用相关性分 析验证角度控制的准确性。利用强化学习算法实现二维手臂模型的动态运动。 第一章主要介绍软体机器人的发展背景，以及对仿生章鱼机器人研究的重要意义。分别 从建模、驱动和控制方面叙述了仿生章鱼机器人的研究现状，总结了不同驱动方式的仿生章 鱼机器人的特点。 第二章利用MATLAB实现对章鱼臂角度控制的仿真。首先利用Cosserat理论结合线缆受 力情况建立连续型章鱼臂三维稳态数学模型，根据章鱼臂样机线缆情况，设计角度控制方法， 并利用简单取值方法分段验证该控制方法的可靠性。最终实现完整章鱼臂运动角度的仿真。 8 万方数据
杭州电子科技大学硕士学位论文 8 控制的CNS-PNS控制。 研究发现章鱼在同一运动中展现出固定运动模式的特性，比如分别在到达运动、弯曲和 自发的伸长（前方没有目标物）等运动中，章鱼的速度轮廓几乎完全相同[20]。这一特性的发 现减少了章鱼手臂运动的冗余度并且简化了实际控制问题。章鱼操控手臂运动采用分层神经 控制方法。大脑中的中枢神经系统（CNS）是高级控制，发送控制指令传达给各个手臂中的 外围神经系统（PNS），PNS诱导相应的手臂完成目标运动。 受到这种控制方式的启发，文献[21]提出一种将章鱼生理神经控制转化为现实的控制器方 式，即CNS-PNS控制。如表1.1所示典型的CNS指令。 表1.1 典型的CNS输出指令 动作 CNS输出指令 伸长 T C f B f f S f t 收缩 T C f B f f S f t 弯曲 T C f B seg n pm n f f 1 S f 2 S f 3 S f 4 S f t 到达 T C f B f f S f t 表中， T C 表示运动模式的确认， f B 表示最终肩位和位置， f 表示最终斜肌的激活， f S （ 1 2 3 4 , , , f f f f S S S S ）表示最终纵肌的激活， f t 表示完成动作的输出时间。弯曲运动中需要增 加参数 seg n 、 pm n ， seg n 表示弯曲运动中被激活的段， pm n 表示弯曲运动中在 seg n 以上和以下被 激活的段数。主控制器CNS将向量形式的运动指令发送给位于手臂中的PNS控制器，PNS转利 用输出指令构造约束函数并使相应独立致动元件动作。 仿生章鱼柔性臂因其软体结构、多自由度、适应水下环境等优势具有重要研究意义，本 文从建模及控制方面，对仿生章鱼柔性臂进行研究，设计并实现了三维稳态条件下的角度控 制和动态环境中的目标获取运动。 1.3 论文的研究内容和章节安排 本文以仿生章鱼臂机器人为研究对象，建立运动学和动力学模型，在此模型基础上利用 MATLAB 进行仿真章鱼臂运动过程中角度控制和获取目标的动态过程。设计并实现章鱼臂姿 势自动输出系统，完成从期望手臂姿势的图片输入，经过对期望曲线的数据分析，到最终实 现同样弯曲角度的手臂姿势的过程。通过相关优化算法提高计算过程的精度，利用相关性分 析验证角度控制的准确性。利用强化学习算法实现二维手臂模型的动态运动。 第一章主要介绍软体机器人的发展背景，以及对仿生章鱼机器人研究的重要意义。分别 从建模、驱动和控制方面叙述了仿生章鱼机器人的研究现状，总结了不同驱动方式的仿生章 鱼机器人的特点。 第二章利用 MATLAB 实现对章鱼臂角度控制的仿真。首先利用 Cosserat 理论结合线缆受 力情况建立连续型章鱼臂三维稳态数学模型，根据章鱼臂样机线缆情况，设计角度控制方法， 并利用简单取值方法分段验证该控制方法的可靠性。最终实现完整章鱼臂运动角度的仿真。 万方数据
杭州电子科技大学硕士学位论文 整个仿真是以章鱼臂中线形式呈现。 第三章主要实现章鱼臂中线期望角度的自动输出过程。首先利用MATLAB读入图片中的 曲线，作为期望章鱼臂姿势的输入。读取图片后，对曲线进行灰度处理和二值化图像处理， 以排除其他干扰曲线。其次对读入的曲线进行斜率分析，结合章鱼臂角度控制方法，获得每 一段线缆的张力输入值。最后将获得的四根线缆的张力值输入模型中，得到期望的章鱼臂姿 势。利用相关性分析对比输入和输入曲线，验证结果的准确性。 第四章利用建立二维多段章鱼臂模型，在此模型基础上利用强化学习算法实现章鱼臂的 动态仿真。通过GPTD算法实现动作连续变化，运用贪婪算法实现寻找目标的过程，仿真章 鱼臂对目标和障碍物的动态反应过程。 第五章对本论文的主要研究内容进行概括陈述，并指出该论文中关于章鱼臂仿真的不足 和有待改进之处，对将来的研究方向做出展望。 万方数据
杭州电子科技大学硕士学位论文 9 整个仿真是以章鱼臂中线形式呈现。 第三章主要实现章鱼臂中线期望角度的自动输出过程。首先利用 MATLAB 读入图片中的 曲线，作为期望章鱼臂姿势的输入。读取图片后，对曲线进行灰度处理和二值化图像处理， 以排除其他干扰曲线。其次对读入的曲线进行斜率分析，结合章鱼臂角度控制方法，获得每 一段线缆的张力输入值。最后将获得的四根线缆的张力值输入模型中，得到期望的章鱼臂姿 势。利用相关性分析对比输入和输入曲线，验证结果的准确性。 第四章利用建立二维多段章鱼臂模型，在此模型基础上利用强化学习算法实现章鱼臂的 动态仿真。通过 GPTD 算法实现动作连续变化，运用贪婪算法实现寻找目标的过程，仿真章 鱼臂对目标和障碍物的动态反应过程。 第五章对本论文的主要研究内容进行概括陈述，并指出该论文中关于章鱼臂仿真的不足 和有待改进之处，对将来的研究方向做出展望。 万方数据
杭州电子科技大学硕士学位论文 第二章线驱动型章鱼臂的弯曲角度控制 传统机器人是由刚性连接和关节组成，运动时同一个刚体上任意两点之间的距离保持不 变，因此在对刚性机器人进行控制方法的研究时，能够建立精确的运动学和动力学模型，控 制方法也相应比较简单。而软体机器人是由软体材质构成，驱动材料多种多样，具有较多自 由度，对其建模和控制方法的研究是一项不小的挑战。本文研究的线驱动型章鱼臂是软体连 续型机器人，建模时不局限于常曲率建模方式，考虑驱动材料和与外套皮肤之间压力的因素， 建立一种几何上精确的稳态模型，并在该模型上实施控制方法，实现线驱动章鱼臂的运动控 制。 2.1微梁理论 一直以来传统连续介质理论在工程实践中获得巨大的成就并得到广泛应用，但是随着研 究深入，诸多实验数据表明利用该理论描述材料在微观尺度下的性质有明显局限性2，比如： Fleck2)]等在细铜丝扭转试验过程中发现，当把细铜丝的直径从170pm减少到12pm时，其 无量纲化的扭矩增加至原来的3倍：Stolken和Evanst24在薄梁弯曲实验中观察到，当梁的厚 度从100m减少到12.5pm时，材料的无量纲化弯曲硬度也有显著增加的趋势。这些事实都 证明材料在微观尺度下会表现出不同的特性，这些特性不符合传统理论的研究成果。 2.1.1 Cosserat理论 二十世纪初，Cosserat兄弟提出微极非线性弹性理论，该理论被称为Cosserat理论，也称 为一般偶应力理论。Cosserat连续体介质力学是有别于传统连续介质力学的微极连续介质力 学，它保留了连续介质力学中的基本假设：物体任意部分均满足全部守恒定律；任意点的状 态只与该点的任意小邻域影响有关2)。该理论不再把材料描述成理想的连续、均匀变形体， 认为每一个材料粒子都是一个完美的刚性颗粒，变形时不仅有位移产生，还伴随着转动：每 一个粒子有6个自由度，分别有三个位移自由度和三个旋转自由度，此理论为非线性理论2。 Cosserat梁用来描述章鱼柔性臂的力学特性，是一维连续体结构，根据理论假设梁中每个材 料粒子都可以看做能够围绕相邻元素旋转的无限小的刚体27)，以此模拟章鱼臂的运动。 为了描述这种运动，每一个材料元素都用一组坐标向量表示，如图1所示，万，b,无代 表位移坐标轴，k,,T代表旋转量，其中万和b确定横截面，无垂直于该平面并确定梁的 方向，坐标系满足t×万=b,k和5分别代表对应于轴万和6的弯曲，T代表对应于轴：的 扭转，9是纵向张力。两相邻坐标系之间的转换取决于段本身的张力，因此通过沿梁方向的 张力、基部固定坐标系的位置和方向，可以任意改变梁的形状，从而实现章鱼机械臂的期望 动作。 0 万方数据
杭州电子科技大学硕士学位论文 10 第二章 线驱动型章鱼臂的弯曲角度控制 传统机器人是由刚性连接和关节组成，运动时同一个刚体上任意两点之间的距离保持不 变，因此在对刚性机器人进行控制方法的研究时，能够建立精确的运动学和动力学模型，控 制方法也相应比较简单。而软体机器人是由软体材质构成，驱动材料多种多样，具有较多自 由度，对其建模和控制方法的研究是一项不小的挑战。本文研究的线驱动型章鱼臂是软体连 续型机器人，建模时不局限于常曲率建模方式，考虑驱动材料和与外套皮肤之间压力的因素， 建立一种几何上精确的稳态模型，并在该模型上实施控制方法，实现线驱动章鱼臂的运动控 制。 2.1 微梁理论 一直以来传统连续介质理论在工程实践中获得巨大的成就并得到广泛应用，但是随着研 究深入，诸多实验数据表明利用该理论描述材料在微观尺度下的性质有明显局限性[22]，比如： Fleck[23]等在细铜丝扭转试验过程中发现，当把细铜丝的直径从 170 pm 减少到 12 pm 时，其 无量纲化的扭矩增加至原来的 3 倍；Stolken 和 Evans[24]在薄梁弯曲实验中观察到，当梁的厚 度从 100 m 减少到 12.5 pm 时，材料的无量纲化弯曲硬度也有显著增加的趋势。这些事实都 证明材料在微观尺度下会表现出不同的特性，这些特性不符合传统理论的研究成果。 2.1.1 Cosserat 理论 二十世纪初，Cosserat 兄弟提出微极非线性弹性理论，该理论被称为 Cosserat 理论，也称 为一般偶应力理论。Cosserat 连续体介质力学是有别于传统连续介质力学的微极连续介质力 学，它保留了连续介质力学中的基本假设：物体任意部分均满足全部守恒定律；任意点的状 态只与该点的任意小邻域影响有关[25]。该理论不再把材料描述成理想的连续、均匀变形体， 认为每一个材料粒子都是一个完美的刚性颗粒，变形时不仅有位移产生，还伴随着转动；每 一个粒子有 6 个自由度，分别有三个位移自由度和三个旋转自由度，此理论为非线性理论[26]。 Cosserat 梁用来描述章鱼柔性臂的力学特性，是一维连续体结构，根据理论假设梁中每个材 料粒子都可以看做能够围绕相邻元素旋转的无限小的刚体[27]，以此模拟章鱼臂的运动。 为了描述这种运动，每一个材料元素都用一组坐标向量表示，如图 1 所示， n ， b ， t 代 表位移坐标轴， k ，ξ，τ 代表旋转量，其中 n 和 b 确定横截面， t 垂直于该平面并确定梁的 方向，坐标系满足 t n = b ，k 和 ξ 分别代表对应于轴 n 和 b 的弯曲， τ 代表对应于轴 t 的 扭转， q 是纵向张力。两相邻坐标系之间的转换取决于段本身的张力，因此通过沿梁方向的 张力、基部固定坐标系的位置和方向，可以任意改变梁的形状，从而实现章鱼机械臂的期望 动作。 万方数据
杭州电子科技大学硕士学位论文 6 图2.1一个材料粒子的自由度 2.1.2 Cosserat梁的运动学方程 经典理论中，一段的形变由六个变量构成：两个沿横截面上坐标轴的弯曲，一个垂直轴 的扭转，两个切线张力和一个纵向张力。由欧拉-伯努利假设，我们忽略两个切线张力，因此 梁弯曲过程中，每段仅有四个形变量。定义矩阵。三（任，万b)',表示梁基部的固定坐标系，如 图2所示，其中代表在参考坐标系中，每段的质心相对于基坐标系的位置向量；s为机械 臂参考配置下手臂弧长；S为实际配置中手臂的空间弧长。矩阵O相对于S的推进转换为： do/dS=(ò)o,其中o是w=(t,5,K)的反对称矩阵。 u(s) b(s) (s) t(s）) 图2.2位置向量山和局部坐标系t,万，b 由欧拉-伯努利假设得到，do/ds=do/dS*dSds=(o)'odiag(1+q),du/ds=(1+q)t。 Cosserat梁的运动学方程表示为： (E)=k1+9)万-5(1+9)6 (n）=-k1+g)E+z1+q)b ds (2.1) (6)=0+q)e-x1+gn d 回-0+gF 万方数据
杭州电子科技大学硕士学位论文 11 q k ξ τ n b t 图 2.1 一个材料粒子的自由度 2.1.2 Cosserat 梁的运动学方程 经典理论中，一段的形变由六个变量构成：两个沿横截面上坐标轴的弯曲，一个垂直轴 的扭转，两个切线张力和一个纵向张力。由欧拉-伯努利假设，我们忽略两个切线张力，因此 梁弯曲过程中，每段仅有四个形变量。定义矩阵 T o = t,n,b ( ) ，表示梁基部的固定坐标系，如 图 2 所示，其中 u 代表在参考坐标系中，每段的质心相对于基坐标系的位置向量； s 为机械 臂参考配置下手臂弧长； S 为实际配置中手臂的空间弧长。矩阵 o 相对于 S 的推进转换为： d d ( ) S ˆ T o = ω o ，其中 ω ˆ 是 ω= ( ) τ,ξ,k 的反对称矩阵。 y z x ts( ) us( ) ns( ) bs( ) 图 2.2 位置向量 u 和局部坐标系 t,n,b 由欧拉-伯努利假设得到， * ( ) (1 ) ˆ T d d d d d d diag o o s S S s q ω o ， s q (1 ) d d u t 。 Cosserat 梁的运动学方程表示为： ( ) (1 ) - (1 ) ( ) (1 ) (1 ) ( ) (1 ) - (1 ) ( ) (1 ) d d d d d d d d k q q s k q q s q q s u q s t n b n t b b t n t - （2.1） 万方数据