連續(xù)體機(jī)器人（CDCR）憑借其仿生柔性結(jié)構(gòu)和靈活運(yùn)動(dòng)能力，在微創(chuàng)手術(shù)、工業(yè)檢測(cè)和太空探測(cè)等領(lǐng)域備受關(guān)注。然而，傳統(tǒng)恒曲率模型（CC/PCC）在負(fù)載、高速運(yùn)動(dòng)等復(fù)雜場景下精度不足，而基于Cosserat桿理論的變曲率模型雖精度高，但逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解依賴復(fù)雜雅可比矩陣，計(jì)算成本高昂。如何實(shí)現(xiàn)高精度動(dòng)態(tài)控制，成為制約CDCR應(yīng)用的核心瓶頸。

首先，團(tuán)隊(duì)通過離散微分幾何原理，將連續(xù)體機(jī)器人骨架離散為16個(gè)節(jié)點(diǎn)，建立包含彎曲、扭轉(zhuǎn)、拉伸的變曲率運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。

CDCR結(jié)構(gòu)及DER建模示意圖

CDCR模型設(shè)計(jì)參數(shù)如下表所示，NiTi合金骨架直徑僅1mm，配合碳纖維驅(qū)動(dòng)盤實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)（總重415g）。

機(jī)器人模型參數(shù)

模型特點(diǎn)包括：

核心思想

通過虛擬彈性力與虛擬扭轉(zhuǎn)力矩模擬末端位姿偏差，迭代調(diào)整驅(qū)動(dòng)力

與傳統(tǒng)LM算法相比，該算法支持多段非平行電纜驅(qū)動(dòng)，適應(yīng)多段機(jī)器人協(xié)同控制，且無需雅可比矩陣，提升計(jì)算效率；支持自適應(yīng)方向校正，解決目標(biāo)方向未指定難題。

閉環(huán)控制器對(duì)比架構(gòu)

（a）基于雅可比矩陣優(yōu)化方法

（b）基于力引導(dǎo)啟發(fā)式方法，結(jié)合前饋與反饋機(jī)制

團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了單段CDCR和多段CDCR兩類模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)比傳統(tǒng)LM方法和所提方法：

如實(shí)驗(yàn)結(jié)果所示，在單段CDCR實(shí)驗(yàn)中，F(xiàn)H算法動(dòng)態(tài)誤差2.7%，計(jì)算效率優(yōu)于傳統(tǒng)LM方法；多段CDCR的非平行纜線下仍實(shí)現(xiàn)末端誤差<5%，方向校正精度提升47%。

團(tuán)隊(duì)搭建了包含F(xiàn)ZMotion高精度運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)的四纜線驅(qū)動(dòng)CDCR實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開展多場景驗(yàn)證。

實(shí)物系統(tǒng)：鎳鈦合金脊柱、碳纖維盤片、Dynamixel XC430電機(jī)、FZMotion運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)

① 無負(fù)載軌跡跟蹤

實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)：驗(yàn)證閉環(huán)控制算法在星形軌跡下的跟蹤能力

（b）動(dòng)態(tài)位置誤差；（c）軌跡生成；（d）不同時(shí)間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡

如圖所示，F(xiàn)H閉環(huán)控制最大動(dòng)態(tài)誤差2.7%（8.1mm），靜態(tài)誤差趨近于0，在113mm/s高速下的跟蹤誤差仍保持5.6%。

② 100g負(fù)載抗干擾測(cè)試

實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)：驗(yàn)證100g負(fù)載下的控制魯棒性

如下圖所示，在負(fù)載情況下，F(xiàn)H算法的動(dòng)態(tài)誤差提升至18.6mm（6.2%），但優(yōu)于傳統(tǒng)方法32%；閉環(huán)控制最大誤差5%（15mm），靜態(tài)誤差2%（6mm）。

100g負(fù)載下，閉環(huán)控制使靜態(tài)誤差穩(wěn)定在6mm（2%），且加速度0.3m/s2時(shí)仍保持軌跡連貫性。

實(shí)驗(yàn)表明，其在高速、負(fù)載及復(fù)雜軌跡場景下均展現(xiàn)出優(yōu)越性能。

本研究提出的力引導(dǎo)啟發(fā)式算法為連續(xù)體機(jī)器人動(dòng)態(tài)控制提供了新范式，所提算法兼容FEM等模型，可拓展至醫(yī)療導(dǎo)管、空間機(jī)械臂等領(lǐng)域，為未來軟體機(jī)器人精準(zhǔn)操作奠定了理論基礎(chǔ)。團(tuán)隊(duì)下一步將在此基礎(chǔ)上研究融合深度學(xué)習(xí)，進(jìn)一步提升計(jì)算效率。

是凌云光設(shè)立的全資子公司，主要面向元宇宙虛擬現(xiàn)實(shí)、Web3.0時(shí)代數(shù)字人、沉浸媒體、全息通信、計(jì)算光學(xué)成像等應(yīng)用，已形成光場建模、運(yùn)動(dòng)捕捉、全景成像、XR 拍攝等在內(nèi)的產(chǎn)品布局。

FZMotion智能體位姿追蹤系統(tǒng)是自主開發(fā)的運(yùn)動(dòng)捕捉采集與分析系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)量并記錄三維空間內(nèi)點(diǎn)的軌跡、剛體的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)以及人體動(dòng)作，空間定位精度可以達(dá)到亞毫米級(jí)。

FZMotion 光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)

FZMotion動(dòng)捕系統(tǒng)在無人機(jī)室內(nèi)定位、仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、機(jī)械臂示教學(xué)習(xí)、氣浮臺(tái)位姿驗(yàn)證、水下運(yùn)動(dòng)捕捉等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，目前已經(jīng)與清華大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、北京理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等高校開展合作。凌云光·致力于為高校提供完備的解決方案，助力科研發(fā)展。

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