我國水域遼闊，水下蘊(yùn)藏著豐富的生物、文物等資源。目前人類對(duì)河流、湖泊及近淺海內(nèi)水下生物、文物資源的采集主要是采用潛水員人工作業(yè)的方式。然而，潛水員平均水下作業(yè)時(shí)間為30分鐘（輕潛）至2小時(shí)（重潛），作業(yè)深度通常在40米以內(nèi)。長期的潛水作業(yè)會(huì)對(duì)潛水員的身體健康造成嚴(yán)重危害，導(dǎo)致皮膚、肌肉骨骼、神經(jīng)系統(tǒng)、呼吸與循環(huán)系統(tǒng)等全身性疾病，俗稱“潛水員病”。傳統(tǒng)水下作業(yè)機(jī)器人多采用剛性抓持裝置。水下剛性機(jī)械臂專為大負(fù)載、低柔性的作業(yè)而設(shè)計(jì)，較少地應(yīng)用于水下生物活體、文物樣本等采集作業(yè)。水下軟體機(jī)械臂可以實(shí)現(xiàn)柔性安全的抓持目標(biāo)物，同時(shí)具有輕質(zhì)、低慣量等特性。這使得水下軟體機(jī)械臂在抓取水下柔軟易損、形狀不規(guī)則的活體生物等目標(biāo)物時(shí)相比剛性機(jī)械臂具有優(yōu)勢。同時(shí)，軟體機(jī)器人具有較高的柔順性，難以建立有效的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模型從而進(jìn)行精確控制。如何設(shè)計(jì)、制造并控制可用于自然海洋環(huán)境的水下軟體機(jī)械臂是一個(gè)挑戰(zhàn)性問題。

水下活體海產(chǎn)品采集作業(yè)與水下軟體機(jī)械臂作業(yè)系統(tǒng)

7月7日，北京航空航天大學(xué)文力教授團(tuán)隊(duì)與中科院自動(dòng)化所喻俊志研究員團(tuán)隊(duì)合作在國際機(jī)器人權(quán)威期刊《The International Journal of Robotics Research》（IJRR）發(fā)表了最新的研究成果：“A Soft Manipulator forEfficient Delicate Grasping in Shallow Water: Modelling, Control, and Real-world Experiments”。該研究設(shè)計(jì)并制造可應(yīng)用于近淺海自然環(huán)境的水下軟體機(jī)械臂，并將對(duì)其建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型與逆運(yùn)動(dòng)學(xué)快速求解方法，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)學(xué)控制，最終實(shí)現(xiàn)近淺海自然環(huán)境中的水下抓取作業(yè)。

北航機(jī)械學(xué)院2016級(jí)碩士生龔哲元為該文的第一作者，實(shí)驗(yàn)室成員方璽、程嘉輝、謝哲新、劉嘉琦、陳博瀚、楊輝、郝雨飛共同參與到樣機(jī)的設(shè)計(jì)、制作和水下實(shí)驗(yàn)中，中科院自動(dòng)化所陳星宇、孔詩涵參與了水下視覺反饋和水下實(shí)驗(yàn)。北航王田苗教授和中科院自動(dòng)化所喻俊志研究員參與項(xiàng)目論證與討論。北航為唯一通訊單位。

水下軟體機(jī)械臂反向等曲率+伸長（OBSS）結(jié)構(gòu)

為解決軟體機(jī)器人連續(xù)臂逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的快速求解，該研究提出了：1）反向等曲率PCC模型+伸長（OBSS）結(jié)構(gòu)的軟體機(jī)械臂結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)提供了一種有效的的連續(xù)軟體臂的機(jī)械降階方式；2）基于反向等曲率模型的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)快速求解方法。該方法可通過軟體機(jī)械臂工作空間快速求得構(gòu)型空間，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)與離線仿真數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)構(gòu)型空間到驅(qū)動(dòng)空間的快速求解。該逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解方法具有快速性，可以實(shí)現(xiàn)水下軟體機(jī)械臂的定點(diǎn)位移和三維路徑的軌跡規(guī)劃，而求解時(shí)間僅為8.2ms。高效的求解效率也為軟體機(jī)械臂的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)學(xué)控制奠定了基礎(chǔ)，結(jié)合基于雙目/手部相機(jī)的水下立體視覺系統(tǒng)，探索了基于逆運(yùn)動(dòng)學(xué)快速求解方法的水下視覺伺服控制。通過水下圖像質(zhì)量增強(qiáng)、目標(biāo)檢測與跟蹤算法，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了視覺反饋的閉環(huán)目標(biāo)抓取。

軟體機(jī)械臂軌跡跟蹤

相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用在了近淺海自然環(huán)境中的水下抓取作業(yè)上，并首次展示了基于逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模型控制的水下軟體機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)水下抓取。該研究搭建了水下軟體機(jī)械臂移動(dòng)抓取平臺(tái)。該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)在10m深、有洋流的近淺海海底自然環(huán)境中無損、高效地抓取海參、海膽、扇貝等活體海珍品。本文的研究展示了水下軟體機(jī)械臂在未來的水下作業(yè)中具有的潛在應(yīng)用價(jià)值，并為未來無損、高效水下抓取裝備研究提供理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

 

近淺海自然環(huán)境中的水下抓取作業(yè)

該項(xiàng)目得到了國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目，優(yōu)青項(xiàng)目，科技部智能機(jī)器人重大研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。

論文鏈接：https://journals.sagepub.com/doi/full/10.1177/0278364920917203