中国地质大学（武汉）人工智能与自动化学院 孟庆鑫教授团队提出一种直径为6 mm、具有柔顺驱动力的三节段可变长度仿蚯蚓连续体机器人。实验平台部署NOKOV度量动作捕捉系统，反光标记点粘贴于机器人末端，用于实时输出末端高精度三维坐标数据，验证和评估机器人性能，并记录书写任务中的末端运动轨迹。

案例概览

研究背景

针对狭窄空间中工业巡检及微创手术的实际场景，连续体机器人需要同时具备小型化和长度可变的特点，而这项工作具有挑战性。

虽然刚性电机已经具有成熟的控制方案，但其驱动力往往具有冲击性。在医疗应用中，其人机交互安全性令用户担忧。因此，如何在保持连续体机器人小型化和大范围长度可变能力的同时，进一步实现柔顺驱动力，仍然是一个有待解决的问题。

研究方法与主要贡献

受蚯蚓启发，本文设计了一种具有毫米级直径和柔顺驱动力的可变长度仿生连续体机器人。

1、 机器人本体由三节段骨架和传动装置组成，直径为6 mm。受到蚯蚓柔软肌肉的启发，本文基于气动软体执行器（PSAs）设计了软驱动器，以提供柔顺驱动力。

2、 通过以不同压力为软驱动器充气，并测量其位移和输出力，本文分析了软驱动器的压力—位移/力特性，并利用这些特性控制传动装置的运动。

3、 在传动装置的作用下，骨架能够改变长度并发生弯曲。当骨架初始长度为150 mm时，其长度变化超过70 mm；每个节段均可弯曲超过120°。

4、 本文通过编程控制连续体机器人执行书写任务，证明其能够完成精细操作；还通过将机器人伸入狭窄管道和口腔，验证其在检测和医疗中的潜在应用价值。

 图1  仿生变形与机器人系统。(a) 蚯蚓的不同变形状态：放松、收缩和弯曲。(b) 具有毫米级直径和柔顺驱动力的可变长度仿生连续体机器人，由机器人本体（包括骨架和传动装置）以及软驱动器组成。(c) 骨架的不同变形状态：放松、收缩和弯曲。

机器人系统设计

机器人本体设计

机器人本体由三节段骨架和传动装置组成，直径为6 mm。在传动装置的作用下，骨架能够改变长度并发生弯曲。

 图2  机器人本体。(a) 包含三节段骨架和传动装置的机器人本体。(b) 骨架的简化组成。(c) 磁性间隔盘（直径：6 mm），以食指作为尺寸参照。(d) 磁性间隔盘的组成：异形磁体和铁片。(e) 调节铁片角度时，由异形磁体和铁片形成的孔。(f) 通过调节三个节段长度获得的不同骨架长度。

软驱动器设计

受到蚯蚓柔软肌肉的启发，本文基于气动软体执行器（PSAs）设计了软驱动器。通过以不同压力为软驱动器充气，并测量其位移和输出力，本文分析了软驱动器的压力—位移/力特性，并利用这些特性控制传动装置的运动。

 图3  软驱动器。(a) 基于大型 PSA 的软驱动器（上）和基于小型 PSA 的软驱动器（下）的组成及结构：由硅胶管和纤维增强层构成的 PSA、两对直线导轨、一个固定端和一个移动端。(b) 基于大型 PSA 和小型 PSA 的软驱动器的压力—位移特性（左）和压力—力特性（右）。(c) 基于小型 PSA 的软驱动器（左）和基于大型 PSA 的软驱动器（右）的拟合结果。

 图4  软驱动器的驱动原理。(a) 安装在三层平面框架上的机器人系统。(b) 向一对软驱动器充气时的长度变化状态。(c) 向一个基于小型 PSA 的软驱动器充气时的弯曲状态。

NOKOV在本研究中的作用

实验平台部署了NOKOV度量光学动作捕捉系统，反光标记点粘贴于机器人末端，用于实时输出机器人末端高精度三维坐标数据，验证和评估机器人性能。

 图5  本文设计的连续体机器人的长度变化测试和弯曲性能测试的实验平台及结果。(a) 长度变化测试实验平台。(b) 骨架的初始长度和收缩后长度。(c) 弯曲性能测试实验平台。(d) 节段 3 中一个基于小型 PSA 的软驱动器的输入压力。(e) 不同节段长度下节段 3 的弯曲角度。

实验验证

长度变化测试

实验表明，150 mm长的机器人骨架可实现超过70 mm的长度变化，其长度变化率为47%（长度变化率=长度变化量/初始长度）。

弯曲性能测试

在该平台中，可以通过向三个基于小型 PSA 的软驱动器充气、牵拉对应缆线，使节段3发生弯曲，同时可以手动调整节段长度。

在最大压力0.2 bar下，不同节段长度对应的最大弯曲角度如下：

 这一弯曲性能已经达到许多电机驱动连续体机器人的水平。因此，采用基于PSA的软驱动器替代刚性电机是可行的。

机器人任务演示

精细操作：数字书写

在书写任务中，机器人本体末端书写数字“2”和“6”，NOKOV度量动作捕捉系统实时输出机器人末端轨迹。实验结果证明，该连续体机器人具有良好的柔性，能够像人类手指一样执行精细操作。

 图6  可变长度仿生连续体机器人的书写过程。(a) 书写任务实验平台。(b) 节段 3 的坐标系及参数。(c) 数字“2”的书写过程。(d) 数字“6”的书写过程。

狭窄管道检测与口腔监测

本文提出的仿蚯蚓连续体机器人还执行了狭窄管道检测和口腔监测任务。结果表明，与刚性连接机器人相比，本文设计的连续体机器人具有适应性强、柔性高的机器人本体以及柔顺驱动力，因此更适合执行对安全系数要求较高的任务，同时也有助于其在复杂环境中执行检测任务。

论文信息

论文题目：Length-Variable Bionic Continuum Robot With Millimeter-Scale Diameter and Compliant Driving Force

期刊：IEEE/CAA Journal of Automatica Sinica

发表时间：April 2025

DOI：10.1109/JAS.2024.125091

引用格式：S. Zhao, Q. Meng, X. Lai, J. She, E. F. Fukushima and M. Wu, "Length-Variable Bionic Continuum Robot with Millimeter-Scale Diameter and Compliant Driving Force," in IEEE/CAA Journal of Automatica Sinica, vol. 12, no. 4, pp. 655-667, April 2025, doi: 10.1109/JAS.2024.125091.

作者简介

赵诗影：中国地质大学（武汉）人工智能与自动化学院控制科学与工程专业博士。主要研究方向：连续体机器人的建模与控制、非线性系统控制。

孟庆鑫（通讯作者）：中国地质大学（武汉）人工智能与自动化学院教授。主要研究方向：软体机器人控制、非线性系统控制。

赖旭芝：中国地质大学（武汉）人工智能与自动化学院教授。主要研究方向：智能控制、机器人控制、非线性系统控制。

佘锦华：东京工科大学工学部教授。主要研究方向：控制理论应用、重复控制、过程控制、移动教育和辅助机器人。

Edwardo F. Fukushima：东京工科大学教授。主要研究方向：排雷机器人的开发、新型无刷电机与驱动器、智能机器人控制器设计。

吴敏：中国地质大学（武汉）人工智能与自动化学院教授。主要研究方向：鲁棒控制、过程控制和智能系统。

常见问题

NOKOV在这项研究中测量了什么？

实验平台将反光标记点粘贴于机器人末端，NOKOV度量光学动作捕捉系统实时输出机器人末端高精度三维坐标数据。

动作捕捉数据在实验中用于什么？

这些数据用于验证和评估机器人性能，并记录机器人在书写任务中的末端运动轨迹。

机器人实现了多大的长度变化？

实验表明，150 mm长的机器人骨架可实现超过70 mm的长度变化，长度变化率为47%。

弯曲性能测试得到什么结果？

在最大压力0.2 bar下，当节段3长度分别为50 mm、40 mm和30 mm时，最大弯曲角度分别为125°、90°和65°。

机器人完成了哪些任务？

研究记录了数字“2”和“6”的书写任务，以及狭窄管道检测和口腔监测任务。