连续体机器人受蛇、象鼻和章鱼触手等自然界的生物启发，具有高自由度、大长径比和强环境适应能力，能灵活进入复杂狭窄环境，在航空发动机叶片打磨、燃烧室维护、核工业管道检测及医疗微创手术领域有广泛应用。但其高性能关节设计、高效精确力学建模和高精度运动控制等仍面临较大挑战。

近日，西安交通大学机械工程学院杨来浩副研究员在Frontiers of Mechanical Engineering（2026年已更名为ENGINEERING Mechanical Engineering）期刊发表一篇题为“Novel claw-type continuum robots: design, modeling, and control”的研究论文，针对肌腱驱动连续体机器人在高性能关节设计、高效高精度力学建模以及高精度运动控制方面的挑战展开研究。

研究亮点

1.提出了刚柔耦合连续体机器人的通用创新设计框架，通过分析结构自由度，建立自由空间与约束空间映射关系来设计结构。以爪式连续体机器人为例，设计过程中，先分析双枢轴柔顺机构自由度，通过添加约束结构，逐步消除扭转和旋转运动，保留平移运动，最终形成由柔性杆和刚爪与圆形凸台相互作用构成的刚柔耦合机构。该机器人工作时，刚柔结构配合约束圆盘运动轨迹，提高建模精度，增强抗扭和抗屈曲性能，中央通道和侧边凹槽还有利于工具安装和减少摩擦。

2.提出了节点力解耦模型，基于此建立了连续体机器人的运动静力学模型，通过单独求解每个单元平衡方程抵消后续电缆张力影响，简化计算并提高计算效率。该模型基于运动学基础，采用齐次变换构建运动学模型，推导变换矩阵和肌腱长度变化方程。该模型与传统链式梁约束模型不同，无需从末端关节递归计算力和力矩，直接单独计算各关节力矩，大幅减少计算量。还考虑摩擦、重力、外部载荷等因素，建立柔性杆弹性平衡方程，当计算关节角超过最大限制时按刚性结构处理。

3.提出了连续体机器人的逆运动静力学建模及其控制方法，其核心是利用正向运动静力学模型迭代逼近目标状态。提出直接驱动任务空间（DATS）形状表示法，仅用各段节点位置和初始点方向描述机器人形状，规避配置空间和关节角确定难题。迭代求解逆运动静力学过程中，先确定机器人形状，用正向模型迭代逼近各段目标点，调整肌腱张力。对于多段机器人，按顺序迭代，虽计算量随段数增加，但能防止段间过度影响。仿真结果验证了该方法在逆运动静力学中的可行性和计算效率。

4.开展了扭转实验、运动静力学模型验证和逆运动静力学控制实验。扭转实验表明爪式结构抗扭刚度约为双枢轴结构305倍，验证其抗扭优越性；运动静力学模型验证实验中，平面内末端位置平均和最大误差分别为1.79%和2.91%，三维空间为2.13%和2.69%，且计算时间较传统模型快20倍以上，验证模型精度和效率；逆运动静力学控制实验中，圆形和“XJTU”轨迹最大误差分别为2.88%和3.70%，验证控制方法可行性。（来源：EngineeringJournals微信公众号）

相关论文信息：https://journal.hep.com.cn/fme/EN/10.1007/s11465-025-0832-8