一种用于模块化蛇形机器人的欠驱动全向对接机构，带有DNA启发的螺旋连续体单元

《Biomimetics》：An Underactuated Omnidirectional Docking Mechanism for Modular Serpentine Robots with DNA-Inspired Helical Continuum Units

　　

受生物启发的蛇形机器人在非结构化环境中展现出强大潜力，但现有系统通常缺乏可靠的模块化对接、自适应抓取以及结构刚度与运动灵活性之间的有效平衡。本研究提出了一种模块化全向蛇形机器人（Modular Omnidirectional Serpentine Robot, MOSR），该机器人将DNA启发的腱驱动螺旋连续体单元、欠驱动全向球形对接抓取器以及自适应抓取手指集成在一个单一模块中。螺旋连续体单元通过交错螺旋和中央约束结构提供两自由度（2-DOF）顺应性弯曲，同时提高轴向刚度。球形对接抓取器采用连杆-弹簧-滑块欠驱动机构，以适应有效直径变化，并支持稳定的一对一和一对多对接。抓取器运动学采用改进的Denavit–Hartenberg（D-H）方法建模，并通过MATLAB仿真验证工作空间。针对螺旋连续体单元建立了等效扭转和弯曲刚度模型，并通过有限元分析（FEA）进行验证，平均相对误差分别为11.57%和17.95%。基于接收器极角（θ_rec）和接合器方位角（θ_eng）的对接角度分析表明，在开口距离为5.7 mm时，接收器表面的61.1%位于可行对接区域内。一个3D打印的聚酰胺1010原型在草地上实现了15.3 mm/s的运动速度，并展示了地形穿越、平面转向、越障、自适应抓取以及稳定的直向和斜向对接能力。这些结果验证了在单个蛇形机器人模块中集成运动、抓取和模块化重构的可行性。

**论文解读：模块化蛇形机器人中的欠驱动全向对接与DNA启发螺旋连续体单元设计**

**研究背景与问题**
仿生蛇形机器人在非结构化环境（如狭窄空间探索、微创手术和灾难救援）中具有天然优势，因其顺应性、灵活运动及适应曲线路径的能力。然而，现有系统存在三大核心瓶颈：一是缺乏全向、稳定且可扩展的模块化连接能力，尤其无法支持一对一和一对多对接；二是自适应抓取能力不足，难以应对不同形状和尺寸的物体；三是连续体单元在结构刚度（承载）与运动灵活性（环境适应）之间难以平衡。针对这些问题，研究人员提出了一种模块化全向蛇形机器人（MOSR），旨在通过集成创新机构同时解决上述挑战。该研究发表在《Biomimetics》上，为模块化仿生蛇形机器人的工程化奠定基础。

**主要关键技术方法**
研究人员采用以下关键技术方法：1) 基于DNA双螺旋结构启发的腱驱动螺旋连续体单元，通过交错螺旋链和中央约束结构实现两自由度（2-DOF）弯曲并增强轴向刚度；2) 欠驱动全向球形对接抓取器，采用连杆-弹簧-滑块机构，适应直径变化并支持多角度对接；3) 改进的Denavit–Hartenberg（D-H）方法建立抓取器运动学模型，并利用MATLAB仿真验证工作空间；4) 有限元分析（FEA）在ANSYS Workbench中验证等效扭转和弯曲刚度模型；5) 3D打印聚酰胺1010（PA1010）材料制造原型（杨氏模量1500 MPa，泊松比0.38），用于所有性能测试。

**研究结果**
**5.1 螺旋连续体单元**
**5.1.1 刚度模型的有限元验证**：通过FEA验证理论等效扭转和弯曲刚度模型，引入修正系数λ_t=1.2和λ_b=0.9后，扭转平均相对误差为11.57%，弯曲平均相对误差为17.95%，最大绝对误差分别占变形范围的合理比例，表明模型在工程初步分析中可接受。
**5.1.2 运动学模型验证**：在0 N、5 N和10 N负载下测量原型横向位移，与理论曲线对比。随着负载增大，实际变形大于理论值（10 N时自由端误差约11 mm，占MOSR长度的3.6%），主要因恒定曲率假设忽略腱-导向孔摩擦导致非均匀曲率分布。
**5.1.3 弯曲性能测试**：原型可通过水平面左右弯曲实现避障，垂直面上下弯曲实现抬头越障，验证了连续体单元的转向和空间姿态调整能力。

**5.2 球形对接抓取器的抓取性能**
**5.2.1 工作空间分析**：基于D-H参数（近端关节PJ 0–7°，中关节MJ ?10–5°，远端关节DJ ?13–10°）的MATLAB仿真显示，单指工作空间为连续扇形，最大高度87 mm，横向跨度±15 mm；三指组合形成对称圆锥包络，为稳定抓取提供基础。
**5.2.2 欠驱动抓取器静力分析**：通过拉格朗日动力学方程计算静态力矩分布云图，显示近端关节（PJ）力矩范围最大（[?18.2, 17.6] N·mm），远端关节（DJ）最小（[?1.1, 0.9] N·mm），力矩幅度沿传动链递减，符合承载特性。
**5.2.3 力矩特性分析**：动态力矩曲线显示“慢启动-线性增长-平稳结束”模式，峰值力矩分别为PJ 4.0 N·mm、MJ 2.6 N·mm、DJ 1.1 N·mm，验证了基座关节为主要承载关节。
**5.2.4 角度监测实验**：抓取过程中角度从近端到远端依次稳定，约1 s内完成，最终稳定角度为PJ、MJ、DJ各自约束范围内，验证了运动学模型预测的正确性。
**5.2.5 抓取性能测试**：测试了包络抓取（全部关节接触）和指尖抓取（仅远端接触）两种模式，对规则/不规则物体均成功抓取，10次重复实验总体成功率为85%，展示了自适应能力。

**5.3 球形对接机构的对接性能**
**5.3.1 可行对接角度分析**：基于接收器极角θ_rec和接合器方位角θ_eng的几何关系，计算表明在开口距离5.7 mm时，接收器表面61.1%位于可行对接区域。
**5.3.2 多模块对接与重构**：进行直向对接和斜向对接实验，直向对接时两模块同轴连接，斜向对接时在允许角度范围内仍能稳定连接。10次重复实验对接成功率为100%，且对接后整体结构仍保留弯曲能力，支持小范围姿态调整和局部避障，为后续一对多对接奠定基础。

**5.4 螺旋连续体单元推进性能测试**
基于螺旋叶片受力分析，在草地上进行固定距离（500 mm）定时测速，10次重复实验平均运动速度为15.3 mm/s（标准差0.21 mm/s），相当于每分钟2个身体长度，表明运动稳定性良好。

**总结讨论与结论**
讨论部分指出：刚度模型误差在工程允许范围内；运动学模型因忽略摩擦而低估大负载变形，未来需引入摩擦补偿和变曲率建模；力矩分布验证了基座关节的强耦合特性；抓取角度波动在初始阶段显著，但随后稳定；全向对接机制允许61.1%的接收面接触，优于传统单向对接；直/斜对接实验证明了空间适应性和重构能力，且对接后仍保持运动能力。整体性能对比显示，MOSR在保持灵活运动的同时新增了全向对接与抓取集成功能，更适用于复杂环境下的重构操作。

**研究结论**：本研究提出了一种模块化全向蛇形机器人（MOSR），将DNA启发的螺旋连续体单元和带有自适应手指的欠驱动全向球形对接抓取器集成于单一模块。结果表明，该设计提升了模块化对接能力、自适应抓取性能以及结构刚度与顺应运动之间的平衡。螺旋连续体单元提供两自由度弯曲，同时保持足够的轴向刚度以支持腱驱动。其等效扭转和弯曲刚度模型与有限元结果吻合良好，扭转平均相对误差约11.57%，弯曲约17.95%。全向对接机构实现了稳定的直向和斜向对接，对接角度分析显示在开口距离5.7 mm时，接收器表面61.1%位于可行对接区域。自适应手指可稳定抓取不同形状和尺寸的物体。原型实验进一步验证了设计的可行性：机器人在草地上运动速度为15.3 mm/s，可穿越草地、鹅卵石、混凝土路面及地形过渡，并展示平面转向、垂直弯曲越障和自适应抓取能力。总体而言，所提出的系统为在受限和非结构化环境中运行的模块化仿生蛇形机器人提供了实用的机械基础。本研究聚焦于两模块对接与重构的设计、性能验证和功能测试，为后续多模块群体协作和复杂构型重构研究奠定了基础。