文 献 综 述
1软体机械人手臂
1.1软体机器人
自动化技术在许多应用中变得越来越重要。作为自动化技术重要主题之一的机器人技术，无论是在制造业领域还是个人护理方面，都在迅速发展。传统刚性机器人具有执行动作类型有限，并且在非结构化和高度拥挤的环境中存在工作受限等不足，由于软体机器人具有结构的固有柔顺性、灵活性、多功能性及安全性，因此适合应用在刚性机器人难以工作的环境中[[1]]。气动肌肉驱动的软体体体机器人具有质量轻、功率密度比高、人机交互安全性高等优点。提出了一种由伸长型及收缩型气动肌肉组成的变刚度软体机器人手臂，能够实现位置与刚度的解耦[[2]]。人们构想了各种软体机械人，比如仿章鱼软体机器人[[3]]。在软体机器人的研究和设计中，研究人员利用软体动物的生物机理，将软体动物结构的优势应用于机器人领域，这类机器人称为仿生软体机器人[[4]]。软体仿生机器人分为离散型和连续型[[5]]，离散型机器人是由一系列刚性链接组成的，连续型机器人是通过弹性形变来产生弯曲运动。
1.2Painleveacute;悖论
Painleveacute; 悖论是指结合库伦摩擦定律求解单边约束的大量机械系统动力学方程时，方程出现的无解或者两解的情况。在这种情况下，系统的实际运动响应无法通过理论计算得出，这显然这与现实中给定初始条件就会产生确定的运动响应产生冲突。经过大量的实验和仿真研究发现，Painleveacute; 悖论在真实物理环境下表现为动态自锁、运动卡阻、弹跳和不规则运动等现象。这种运动奇异性现象广泛存在于一系列的机械装置中，例如机械臂复杂运动控制过程中出现的机器臂卡死故障、腿式并联机器人运动过程中发生自锁、滑动机器人出现弹跳现象导致机器人失去平衡等。Painleveacute; 悖论自提出以来至今已经 124 年，许多专家学者对不同机械结构的悖论现象研究表明 Painleveacute; 悖论现象是一种广泛出现在简单多体系统中的问题。这些机械系统中产生的接触往往是间歇性的，即反复经历接触-分离-再接触的过程，并且接触力大小往往超出正常预想接触力的水平，产生冲击的特征。这些现象阻碍了机械臂的精准控制，甚至使得机械臂在部分极端情况下可能会完全消耗动能输入，在碰撞过程中被结构所吸收，产生巨大的冲击现象，严重损坏机械臂结构。Painleveacute; 提出的经典悖论存在于粗糙表面上沿水平方向平面运动的单杆中，通过动力学方程与库伦摩擦定律联立求解得到单杆的动力学和运动学响应。但是在某些特定的构型条件下理论求解会出现两个解或者无解的情况，与实际情况不符。其中无解的情况被称为不协调的，两解的情况被称为不确定的。大量的相关研究不断深入其中，众多学者从不同的角度提出了消除悖论的方法。为了避免悖论产Lecornu[[6]]首先提出刚体假设在该问题中不完全适用，理论模型建立过程中使用的刚体点接触相互作用应该被柔性模型所替代，由此来确定接触力大小[[7]]。
1.3机械臂模型
软体机器人有各种各样，本文只对软体机器人机械臂的摩擦接触进行研究。目前的软体机器人材料主要有形状记忆合金（SMA）[[8]]、离子液凝胶 [[9]]、人工气动肌肉[[10]]和硅胶[[11]]等。本文使用橡胶材料的机械臂。手指系统是在自动化生产过程中发展起来的一种能模仿人手结构和功能，并可实现抓取、搬运物件或使用工具的自动操作装置。同刚性机器人手指一样，软体机器人手指在完成一些复杂的任务时，也会不可避免地产生摩擦接触。软体机器人手指的摩擦接触进一步地分为仅含有切向初始速度的切向摩擦问题以及同时含有法向和切向初始速度的斜碰撞问题[[12]]。目前对于这两类问题尚没有充分的研究,尤其缺乏对前者Painleveacute;悖论导致的问题的分析。由于经典 Painleveacute; 悖论的发生条件需要摩擦系数达到 4/3 以上[[13]]，在真实物理环境下很难产生并且观测到这种现象，所以许多学者的目光转移到了在其他机械结构的模型中存在的 Painleveacute; 悖论。他们提出并且研究了一些相似的模型，这些模型的理论求解过程中同样会发生无解或者多解的情况，并且对于摩擦系数的需求并没有经典 Painleveacute; 悖论那么高。例如 Leine[[14]]提出的摩擦冲击振子模型、赵振刘才山[[15]]的机器人系统双连杆装置、Daniel[[16]]的 IPOS 卡阻模型，这些模型出现悖论的摩擦系数普遍低于 0.65，因此容易在现实中观察到悖论现象。本实验赵振等人所做的双连杆机械臂装置实验来研究软体的摩擦接触。
1.4力学模型
机械臂系统中软体机械臂的位移除了涉及构件的刚性运动还与连接以及构件本身的弹性变形有关。而前人总结出来的模型多为伸长型及收缩型气动肌肉组成的软体手臂。研究时首先对软体手臂进行结构设计，然后建立软体手臂的刚度模型，最后对该模型进行实验验证。在选择合适的离散方法后，则需要考虑相应的计算策略来建立及求解动力学方程。一般来说，软体机器人手臂的动力学方程可采用分析法或综合法[[17]]来建立。分析法包括Lagrange方法和Kane方法等，往往将研究系统作为一个完整体考虑，忽略各部件中的束反力。综合法，往往将系统中的各部件单独作为一个整体考虑，同时考虑相邻部件中的约束反力。所以，在采用综合法建模时，一般需要结合拓扑结构分析方法来消除约束反力。目前，著名的拓扑结构分析方法有 Roberson-Wittenburg 方法、Margulies-Hooker方法等。
