可折展机器人实验平台设计与测试

庄水管，庄哲明，戴建生，3

（1.天津大学机械工程学院，天津 300350；2.福建省同安第一中学，福建厦门 361100；3.伦敦大学国王学院自然与机械工程系，英国伦敦WC2R 2LS）

0 引言

可折展机器人运动形式多样、环境适应性强，自1997 年戴建生等［1］提出“变胞机构”的概念后，历数十年的迭代与发展，现已成为仿生学和机器人领域的热门研究方向。在航空航天［2］、军事探测［3］、特种救援［4］等领域均有一定的应用价值，如作为实验载体纳入机电工程类培养计划内，将有效提升工程创新人才的培养质量［5-6］。

目前可折展机器人的关键突破点在于提高机器人的灵活性和可折展性，降低维修、维护成本［7］。本文提出一种基于3-RSR 并联机构和折纸原理［1］的可折展机器人实验平台设计方案，该机器人具有高自由度和高折叠率等优点。此外，提出了一种内置形状记忆合金弹簧的变刚度可折叠单元，可以随着温度的变化改变单元的内部弹性从而改变刚度［8］，自主设计了控制逻辑并搭建实物样机。通过ADMAS 软件仿真和实物性能测试。结果表明，可折展机器人实验平台可以实现复杂环境下的探测和抓取任务。相比传统机器人，该机器人的高折叠率优势极大增加了工作空间，可以完成更加复杂和困难的工作。同时，可折展机器人实验平台的研发涉及机械原理、控制硬件集成、数据回传软件、仿真分析优化等学科交叉知识和新工科技术，在教学过程中可以显著提高学生的工程实践技能和创新创造能力［6，9］。

1 机械结构设计

1.1 柔性铰链单元

本文采用3-RSR并联机构，结合折纸原理［1］设计出一种模块化柔性铰链单元，其简化模型如图1 所示。该单元由静平台、动平台和柔性铰链3 部分组成。其中，柔性铰链分为3 组，呈360°圆周对称分布［10］。单元的运动通过丝驱动拉力和弹簧恢复力共同作用实现。此外，通过使用形状记忆合金弹簧，随着温度的变化，机器人单元还可以通过改变模块内部弹性来改变刚度，使机械爪可以模仿人手的变刚度抓取动作［8］。

图1 柔性铰链单元简化模型

1.2 整体结构组成

受仿生学启发，本文提出的可折展机器人结构设计参数参考人的手臂来确定［11］，机器人的整体结构建模如图2 所示。通过将2 组模块（1 组模块由3 个单元串联组成）连接起来模仿人的手肘，使得机器人可以获得足够的弯曲范围，以满足大多数环境下的工作要求。依托模块化设计优势，机器人可以根据需要选择不同功能的单元，也可以根据工作空间串联更多单元以满足其他工作需要［12］。

图2 可折展机器人整体结构建模

2 控制系统设计

2.1 控制框架

可折展机器人整体控制框架如图3 所示，分为主控部分、传感器部分、执行器部分和电源。

图3 可折展机器人整体控制框架

主控部分由计算机和STM32 主控板组成。计算机主要负责处理回传数据并据此规划机器的下一步运动形式。STM32 主控板主要负责接收传感器输入的检测数据，通过USB to USART协议进行通信，还要提供形状记忆合金电流调节的信号输出。实验过程中，计算机用于设置运动模式，并向主控板发送工作指令；主控板进行运动控制，将接收到的传感器数据有选择地传输到计算机进行处理。此外，还在此部分增加了摇杆模块作为备选控制方案。摇杆直接将当前位置坐标输入主控板，然后主控板控制机器人按照指定的方向完成弯曲或线性伸缩运动。

传感器部分包括加速度角度传感器、红外测距传感器、视觉识别传感器等成本较低但工作稳定的传感器。加速度角度传感器模块采用I2C通信协议与主控板通信，反馈机器人的加速度角度数据。红外测距传感器主要用于对机器人周围环境是否存在碰撞风险提供实时反馈。视觉识别传感器可以直接对图片进行分析，并通过USART 串口将有用的数据发送给STM32主控板。主控板将对该数据进行处理。

执行器部分由7 个TB6600 步进电动机和配套的步进电动机、4 路继电器以及3 个形状记忆合金驱动弹簧组成。6 个步进电动机负责通过带动驱动丝，控制可折展机器人的伸缩、弯曲等运动。1 个步进电动机负责过带动驱动丝，控制机械爪的开闭。3 个形状记忆合金弹簧控制机器人末端、与爪子相连的模块化单元。当主控板发出形状记忆合金弹簧的变刚度指令时，形状记忆合金被加热并伸长，改变该单元的刚度，实现仿人手的柔顺抓取。

电源为6S（22.2 V）航模用电池，外加LM2596S直流可调降压板。电池输出分为两部分，一部分直接供给步进电机驱动器；另一部分由降压板降压后供给主控部分和传感器部分。

2.2 控制箱设计

在上述控制框架的基础上，本文综合考虑工作空间、制作成本、二次开发性等因素［13］，设计出如图4 所示的可折展机器人控制箱。该控制箱具有结构紧凑、成本较低、开发性极强等实验教学优点。参与实验的学生可以清晰直观地看见控制箱内部结构，进而自行根据模块的增减调整硬件电路，也可通过留下的主控板接口进行软件编程［6］。

图4 可折展机器人控制箱设计图

3 实验样机制作

3.1 仿真分析

在进行仿真之前，根据折纸原理［1］对仿真单元模型进行结构优化，从而有效减少仿真程序的运行时间。简化过程中，去掉驱动丝、弹簧等部件，将柔性铰链之间的连接关系等效为转动副连接，6 个转动轴相交于一点［14］，如图5（a）所示。在此基础上，对机器人单元进行了伸缩和弯曲试验。由图5（b）、（c）可知，单个单元的极限压缩厚度为15 mm，折叠率为72.73%，具有极高的应用价值。

图5 可折展机器人单个单元仿真

本文的仿真时间为5 s，仿真步长为50，基座平台固定在地面上，其中心与世界坐标系的原点重合。通过仿真后得出可折展机器人两种基本运动的仿真图（见图6）。

图6 可折展机器人多个单元仿真

在运动性能方面，线性伸缩运动的仿真结果符合设计预期，但弯曲运动所反映的结构失稳缺陷较为明显。这意味着接下来应该着重探索并提升可折展机器人的弯曲运动稳定性。仿真结果表明，可折展机器人具有灵活性好、折叠率高等优点，满足了设计要求，为后续的样机制作和运动性能实验提供支持。

3.2 样机制作

在制作实物样机时，重点在于柔性铰链单元的加工制造。柔性铰链单元是最主要的运动部件，其承受的应力强度较高，要求材料具有一定的韧性，因此选用PVC软板和运动绷带作为主要材料。为了契合不同单元的仿生理念，不同的模块需要选择不同刚度的弹簧以满足不同的恢复速度。当然，模块化的设计使得用户可以根据应用场景进行替换［12］。最终，可折展机器人样机如图7 所示。

图7 可折展机器人样机

4 实验测试

4.1 伸缩测试

伸缩式运动是可折展机器人与其他传统机器人的最大区别之处，因为传统机器人执行部分通常无法抵达靠近基座的位置，需要移动基座调整工作空间才能完成任务。图8 为极限伸缩运动的实验测试过程。利用电动机转动带动驱动丝，改变机器人单元内动、静平台之间的距离，从而实现伸缩运动。

图8 可折展机器人极限伸缩运动

4.2 弯曲测试

可折展机器人具有旋转自由度，相比传统机器人更为灵活，可以通过旋转来改变运动轨迹，从而避开障碍物。图9 为弯曲实验测试过程。其中，图片右上角为视觉传感器采集并实时传输到上位机的图像截图。目前，弯曲是由一组操纵杆手动控制，接下来将增加更多的传感器和设计高效的控制算法，以提高其在实际应用中的价值。

图9 可折展机器人弯曲运动

4.3 复杂任务测试

首先，假设机器人正在对大型设备进行维修实验。在该应用场景中，需要在特定的地点对指定目标进行探测或操作［15］。因此，随机设置几个点来测试手臂是否可以按要求完成动作，大型设备维修实验过程如图10 所示。其中，图片右上角为视觉传感器采集并实时传输到上位机的图像截图。随着控制指令的发出，形状记忆合金弹簧单元通过改变内部弹性来改变刚度，在保证不破坏设备的前提下模仿人手柔顺地抓住数据线，随后通过弯曲绕过障碍物，将数据线柔顺地插入目标位置。

图10 可折展机器人模拟维修大型设备

其次，可折展机器人采用最节省空间的折叠状态收纳，可以随着火箭发射至太空，于太空中再伸展开并抓取太空垃圾等物料。在该应用场景中，它需要绕过一些障碍并抓取太空垃圾，本文用一个生鸡蛋来模拟易碎的太空垃圾，因为生鸡蛋和太空垃圾都是众所周知的易碎且难以抓取［16］。碎片抓取实验过程如图11 所示，本文展示了机器人在目标位置抓取生鸡蛋，并将其放置在特定位置，最终鸡蛋完好无损。其中，图右下角为视觉传感器采集并实时传输到上位机的图像截图。

图11 可折展机器人模拟抓取太空垃圾

以上运动性能实验充分验证了可折展机器人的结构优势和运动能力，可以直观地观察到机器人能够兼具大范围移动和精确定位。与传统机器人相比，可折展机器人的工作空间显著增加，可以完成更加复杂、困难的工作。当然，机器人的远程控制、外表蒙皮仍有研究开发的空间［3-4，7］，随着时间的推移，可折展机器人将在太空探索、灾难救援等我国所需的重点行业和前沿领域显示出其更高的价值。

5 结语

本文设计了一种可折展机器人实验平台，相较传统实验教学用的机器人具有更高的学科交叉性和可开发性。机电工程类专业的学生可以在实验教师的指导下逐步掌握先进的可折展机构学理论知识和运动特性，锻炼机械零件的设计和选型能力，并初步掌握机器人零部件的制作与装配知识。以此培养学生的创新能力和设计思维，提升面向工程的分析与创造技能。而授课教师也可以通过学生所装配样机和任务完成情况，直观地了解学生对常用零部件的工作原理、机械选用和仿真计算等基本知识的掌握程度，充分保证课程质量，探索“交叉学科+项目制教学+整机设计”的实践课程体系。