仿生之智：连续型软体机械臂结构与运动特性的深度剖析

仿生之智：连续型软体机械臂结构与运

动特性的深度剖析

一、引言

1.1研究背景与意义

1.1.1研究背景

在机器人技术不断发展的当下，传统刚性机械臂由于其结构和运动方式的限制，在面对复杂多

变的环境时，往往难以满足多样化的作业需求。例如在工业生产中，刚性机械臂在狭窄空间内

的操作灵活性不足，难以完成一些精细且复杂的任务；在医疗领域，刚性机械臂在进行微创手

术时，容易对人体组织造成损伤。因此，具有独特优势的连续型软体机械臂应运而生，成为机

器人领域的研究热点。

连续型软体机械臂通常由柔软、可变形的材料制成，这赋予了它天然的柔顺性，使其在复杂环

境作业中展现出显著优势。与传统刚性机械臂相比，连续型软体机械臂具有无限自由度，能够

实现更加丰富多样的运动姿态和连续的变形。这使得它在狭窄空间、复杂地形以及与人类密切

交互的场景中，都能表现出更好的适应性和灵活性。在医疗领域，它可以在人体的血管、消化

道等狭窄腔道内进行精确操作，减少对人体组织的伤害；在工业检测中，能够深入复杂的管道

系统，完成检测和维护任务。

此外，连续型软体机械臂与人类交互时的安全性更高。其柔软的材质在发生意外碰撞时，能够

有效缓冲冲击力，降低对人体的伤害风险，为实现人机协作提供了更可靠的保障。在服务机器

人领域，可用于协助老年人或残疾人的日常生活，如辅助穿衣、进食等，因其柔软特性不会对

使用者造成意外伤害。

然而，尽管连续型软体机械臂具有诸多优势，目前其发展仍面临诸多挑战。在材料方面，现有

的软体材料在强度、耐久性和稳定性等方面存在不足，限制了机械臂的承载能力和使用寿命工

在驱动方式上，如何实现高效、精确的驱动，以满足复杂运动的需求，仍是亟待解决的问题；

在建模与控制策略方面，由于软体机械臂的高度非线性和强耦合性，建立精确的数学模型和实

现精准的控制难度较大。

综上所述，对连续型软体机械臂进行深入研究具有重要的现实意义和紧迫性。通过开展相关研

究，有望突破现有技术瓶颈，推动连续型软体机械臂的广泛应用，为各领域的发展带来新的机

遇。

1.1.2研究意义

本研究对连续型软体机械臂的仿生结构设计及运动特性展开深入探索，在理论和实际应用方面

都具有重要意义。

从理论层面来看，连续型软体机械臂的研究涉及多个学科领域的交叉融合，如材料科学、机械

工程、控制理论、生物力学等。通过对其仿生结构设计和运动特性的研究，能够为这些学科的

发展提供新的思路和方法，促进学科间的协同创新。在仿生结构设计中，借鉴生物的结构和运

动原理，有助于拓展机械结沟设计的理念，丰富机械设计的理论体系；对运动特性的研究，则

需要运用先进的数学建模和分析方法，这将推动控制理论在复杂系统中的应用和发展。此外，

该研究还能加深对软体材料力学性能和变形机理的理解，为材料科学的研究提供新的方向和数

据支持。

在实际应用方面，连续型软体机械臂的研究成果具有广泛的应用前景，能够为多个领域带来变

革性的影响。在医疗领域，软体机械臂可用于微创手术，凭借其柔软可变形的特性，能够更精

准地到达病变部位，减少对健康组织的损伤，提高手术的成功率和患者的康复效果；在康复治

疗中，可为患者提供更加舒适、个性化的康复训练，帮助患者恢复运动功能。在工业领域，可

应用于复杂环境下的检测与维护工作，如管道检测、狭小空间装配等，提高工业生产的效率和

安全性。在服务领域，软体机械臂能够与人类进行更自然、安全的交互，可用于家庭服务机器

人、助老助残设备等，提升人们的生活质量。在航空航天领域，其轻量化和高适应性的特点，

使其有望成为未来太空探索和卫星维护的重要工具。

1.2国内外研究现状

在国外，对连续型软体机械臂的研究开展较早，在多个关键领域取得了显著成果。在材料创新

方面，不断探索新型软体材料，如新型智能材料的研发，使得机械臂在性能上有了质的£跃。

美国的研究团队开发出一种新型的形状记忆聚合物，这种材料在特定温度下能够发生形状变

化，并且具有良好的记忆特性，能够在恢复到初始温度时回到预设形状，为软体机械臂的驱动

和变形提供了新的可能性，使得机械臂在复杂环境下能够根据外界条件自主调整形状，完成

特定任务。德国的研究人员则专注于研发具有高弹性和高强度的硅胶材料，有效提高了软体机

械臂的耐用性和承载能力，使其能够在更恶劣的工作环境中稳定运行。

在结构优化上，国外学者通过借鉴生物结构和力学原理，设计出多种独特的结构形式°例如，

受章鱼触手结构的启发，研发出具有多节连续结构和特殊肌肉模拟机制的软体机械臂，其能够

实现更加灵活的弯曲和扭转运动，在狭小空间内的操作能力大幅提升。这种机械臂的结构设计

使得其在运动时能够像章鱼触手一样，通过肌肉的收缩和舒张来控制形状和位置，从而实现对

目标物体的精准抓取和操作。还有基于折纸结构的软体机械臂，利用折纸结构的可折叠性和

变形性，实现了机械臂在不同工作状态下的快速切换，提高了其适应性和多功能性。这种结构

在折叠时可以减小体积，便于存储和运输，展开后则能够迅速形成稳定的工作结构，完成各种

任务。

在运动控制算法方面，国外也取得了重要进展。先进的智能控制算法，如自适应滑模控制算

法、模糊控制算法等，被广泛应用于软体机械臂的控制中。自适应滑模控制算法能够根据机械

臂的实时运动状态和外界干扰，自动调整控制参数，使机械臂在复杂环境下保持稳定的运动轨

迹，提高了控制的精度和鲁棒性。模糊控制算法则利用模糊逻辑对机械臂的运动进行控制，能

够处理不确定和模糊的信息，使机械臂在面对复杂多变的任务时，能够做出更加合理的决策。

国内在连续型软体机械臂的研究方面也取得了长足的进步。在模仿生物结构方面，许多科研团

队深入研究生物的运动机理和结构特点，进行仿生设计。例如，北京航空航天大学的研究团队

通过对章鱼捕食行为的深入观察，构建了仿章鱼臂的“弯曲波传递”运动学建模新方法，并在

自主研制的高自由度软体连续体机器人上得到验证，实现了运动学快速求解，为连续体机器人

的实时运动控制奠定了基础。该团队还提出了基于液态金属的柔性高延展电子皮肤刚度梯度及

设计方法，解决了弹性基底与硅基芯片在大变形状态下易剥离的问题，实现了集缠绕/吸附功

能、触觉感知、自主决策于一体的仿章鱼臂末端。

在多学科融合方面，国内的研究呈现出明显的优势。机械工程、材料科学、电子信息等多个学

科的交叉融合，推动了软体机械臂技术的全面发展。在材料研发上，结合材料科学的最新成

果，开发出具有自主知识产权的高性能软体材料；在驱动和控制技术上，利用电子信息领域的

先进技术，实现了对软体机械臂的精确控制和智能化操作。上海交通大学的研究团队将微机电

系统（MEMS）技术应用于软体机械臂的传感器设计中，开发出高灵敏度的微型传感器，能够

实时感知机械臂的变形和受力情况，为精确控制提供了可靠的数据支持。在控制算法方面，国

内学者也在不断创新，提出了一系列适合软体机械臂的控制策略，如基于神经网络的自适应控

制算法，通过对大量数据的学习和训练，使机械臂能够根据不同的任务和环境条件，自动调整

控制策略，实现更加精准和高效的运动控制。

1.3研究内容与方法

1.3.1研究内容

本研究聚焦于连续型软体机械臂，致力于通过创新的仿生结构设计，深入剖析其运动特性，为

软体机械臂的发展提供坚实的理论和实践基础。具体研究内容如下：

•新型仿生结构设计：通过对自然界中具有出色柔性运动能力生物的深入研究，如章鱼、蛇

等，提取其关键结构和运动特征，结合连续型软体机械臂的工作需求和特点，提出全新的

仿生结构设计方案。在借鉴章鱼触手的多腔室结构时，根据机械臂的尺寸和承载要求，对

腔室的数量、大小和分布进行优化设计，以实现更灵活的弯曲和扭转运动。

•运动特性分析：运用理论分析和数值模拟相结合的方法，对所设计的连续型软体机械臂的

运动特性进行深入研究。建立精确的运动学和动力学模型，分析机械臂在不同驱动方式和

负载条件下的运动规律，包括位移、速度、加速度等参数的变化情况。利用有限元分析软

件，模拟机械臂在复杂环境中的变形和应力分布，为结构优化提供依据。

♦仿真与实验验证：利用专业的仿真软件，对设计的连续型软体机械臂进行虚拟仿真测试。

通过仿真，优化机械臂的结构参数和驱动控制策略，预测其在实际应用中的性能表现。依

据仿真结果，制作连续型软体机械臂的实验样机，搭建实验平台，进行一系列实验测试。

通过实验数据与仿真结果的对比分析，验证设计方案的可行性和有效性，对设计和控制策

略进行进一步优化。

1.3.2研究方法

为确保研究的顺利进行和目标的达成，本研究综合运用多种研究方法，从不同角度对连续型软

体机械臂展开深入探索。

•文献研究法：全面收集和整理国内外关于连续型软体机械臂的相关文献资料，包括学术论

文、专利、研究报告等。对这些资料进行系统分析和总结，了解该领域的研究现状、发展

趋势以及存在的问题，为后续研究提供理论基础和研究思路。通过对文献的梳理，掌握现

有仿生结构设计的优缺点，明确本研究的创新方向；了解不同运动特性分析方法的应用情

况，选择最适合本研究的方法。

•仿生学方法：深入研究自然界中生物的结构和运动机理，如章鱼触手的柔性运动、蛇类的

蜿蜒爬行等。从这些生物的独特特性中获取灵感，将其应用于连续型软体机械臂的结构设

计中。通过模仿章鱼触手的肌肉分布和收缩方式，设计出具有类似运动能力的软体机械臂

驱动结构；借鉴蛇类的骨骼结构和关节运动方式，优化机械臂的关节设计，提高其运动的

灵活性和稳定性。

•仿真与实验法：利用专业的仿真软件，如ANSYS、ADAMS等，对连续型软体机械臂的运

动过程进行数值模拟。通过设置不同的参数和工况，分析机械臂的运动特性和力学性能，

为结构设计和参数优化提供依据.在仿真的基础上，制作连续型软体机械臂的实聆样机，

搭建实验平台，进行实验测试。通过实验数据的采集和分析，验证仿真结果的准确性，评

估机械臂的实际性能，进一步优化设计方案和控制策略。

二、连续型软体机械臂概述

2.1基本概念与特点

连续型软体机械臂是一种基于柔性结构设计的新型机械臂，其设计理念深受生物体肌肉骨骼系

统的启发。与传统刚性机械臂由离散的关节和连杆组成不同，连续型软体机械臂通常由单一或

多个连续的柔性部件构成，这些部件能够在不同方向上进行连续的弯曲、扭转和伸展，从而实

现复杂的运动轨迹。这种结构赋予了机械臂无限自由度的运动特性，使其在运动方式上更接

近自然界中生物的柔性运动，如章鱼触手的灵活摆动、蛇类的蜿蜒爬行等。

连续型软体机械臂具有诸多显著特点，使其在众多领域展现出独特的优势。其最突出的特点是

灵活性高。由于采用柔性材料和连续结构，连续型软体机械臂能够在复杂的空间环境中自由变

形，轻松绕过障碍物，到达刚性机械臂难以触及的区域。在狭窄的管道内部，连续型软体机械

臂可以根据管道的形状和走向，灵活地调整自身形态，顺利完成检测和维修任务；在复杂的地

形中，如救援现场的废墟瓦砾之间，它能够像蛇一样蜿蜒前行，寻找被困人员。

连续型软体机械臂还具有良好的适应性。它可以适应不同形状和尺寸的物体，以及各种复杂的

工作环境。在抓取不规则物体时，能够通过自身的柔性变形，紧密贴合物体表面，实现稳定抓

取;在不同的温度、湿度和压力环境下，连续型软体机械臂依然能够保持较好的工作性能，展

现出较强的环境适应性。

连续型软体机械臂与人类或其他物体交互时的安全性高。其柔软的材质在发生碰撞时，能够有

效缓冲冲击力，大大降低对周围物体和人员的伤害风险。在医疗手术中，软体机械臂可以轻柔

地接触人体组织，避免对脆弱的器官和血管造成损伤；在人机协作的工业场景中，即使与工人

发生意外碰撞，也不会对工人造成严重伤害。

2.2工作原理

连续型软体机械臂的工作原理基于其独特的结构和驱动方式，通过力的作用实现自由变形和运

动，以完成各种复杂任务。

常见的驱动方式包括流体驱动和绳驱动，不同驱动方式有着各自独特的工作机制。以流体驱动

的连续型软体机械臂为例，其内部通常设置有多个相互独立的流体腔室。当向这些腔室中注入

或抽出流体（如气体或液体：时，腔室的压力会发生变化。根据帕斯卡原理，压力的变化会

均匀地传递到腔室的各个部分，从而使机械臂的不同部位产生不同程度的膨胀或收缩。当某个

腔室注入流体使其压力增大时，该腔室所在部位的机械臂就会向外膨胀，而相邻腔室压力相对

较低则保持相对收缩状态，这种压力差导致机械臂在膨胀与收缩部位之间产生弯曲变形，通过

精确控制各个腔室的流体压力和流量，就可以实现机械臂在空间中的连续弯曲、伸展和扭转等

复杂运动。在医疗手术中，通过控制流体驱动的软体机械臂，可以使其在人体血管中灵活弯

曲，准确到达病变部位进行治疗操作。

绳驱动的连续型软体机械臂则是利用绳索的拉力来实现机械臂的变形。在机械臂的内部或外

部，沿着其长度方向布置有若干根绳索。这些绳索的一端固定在机械臂的基座上，另一端则穿

过机械臂的各个柔性关节或部位，并最终连接到一个驱动装置上。当驱动装置拉动绳索时，绳

索会对机械臂施加拉力，由于绳索在机械臂上的布置位置和方向不同，拉力会使机械臂产生不

同形式的变形。如果在机械臂的一侧拉动绳索，会使这一侧的机械臂受到拉力而收缩，而另一

侧相对伸展，从而导致机械臂向拉动绳索的一侧弯曲。通过控制不同绳索的拉力大小和顺序，

就能够实现机械臂在三维空间中的各种复杂运动，如模仿蛇类的蜿蜒爬行运动，在复杂的地形

中灵活移动。

2.3应用领域

2.3.1医疗领域

在医疗领域，连续型软体机械臂展现出了巨大的应用潜力，为疾病诊断和治疗带来了新的突破

和变革。在微创手术中，连续型软体机械臂能够凭借其独特的柔性和可变形特性，进入人体狭

窄的部位，如血管、消化道、呼吸道等，实现精准操作。以血管介入手术为例，传统的刚性器

械在进入弯曲的血管时，容易对血管壁造成损伤，增加手术风险。而连续型软体机械臂可以根

据血管的形状和走向，灵活地弯曲和伸展，顺利到达病变部位，如堵塞的血管处。通过在机械

臂末端搭载微型的治疗工具，如支架植入器、血栓清除装置等，能够精准地进行血管扩张、支

架植入或血栓清除等操作，减少对健康血管组织的损伤，降低手术并发症的发生几率，提高手

术的成功率。

在消化道手术中，连续型软体机械臂也能发挥重要作用。它可以通过口腔或肛门进入消化道，

对胃肠道内的病变进行诊断和治疗。在检查胃肠道息肉时，机械臂能够轻柔地贴近息肉组织，

利用其携带的高清摄像头和传感器，对息肉的大小、形状、位置等进行详细观察和分析，同时

还能通过机械臂末端的采样工具，准确地采集息肉组织进行病理检测，为后续的治疗提供准确

的依据。在治疗过程中，机械臂可以根据病变的具体情况，使用合适的工具进行切除或消融等

操作，避免对周围正常组织造成不必要的伤害。

除了手术应用，连续型软体机械臂在康复治疗领域也具有广阔的应用前景。对于因中风、脊髓

损伤等原因导致运动功能障碍的患者，康复训练是恢复运动能力的重要手段。传统的康复设备

大多为刚性结构，在与患者肢体接触时，可能会给患者带来不适甚至伤害。连续型软体机械臂

的柔软特性使其能够更好地贴合患者的肢体，提供更加舒适和个性化的康复训练。通过编程控

制，机械臂可以模拟各种自然的运动模式，如手臂的屈伸、旋转等，辅助患者进行被动和主动

的康复训练，帮助患者恢复肌肉力量和关节活动度。而且，连续型软体机械臂还可以根据患者

的康复进展和实时反馈，实时调整训练方案和参数，提高康复训练的效果和效率。

2.3.2工业领域

在工业领域，连续型软体机械臂凭借其独特的优势，在电子制造、食品加工等对精度和安全性

要求较高的场景中得到了广泛应用。在电子制造行业，随着电子产品的不断小型化和精细化，

对生产过程中的装配和检测精度提出了极高的要求。连续型软体机械臂的无限自由度和灵活的

运动能力，使其能够在微小的空间内进行精确操作。在芯片制造过程中，需要将微小的电子元

件准确地放置在电路板上，传统刚性机械臂由于其结构的限制，在操作过程中容易产生震动和

误差，影响元件的放置精度。而连续型软体机械臂可以通过其柔软的结构，实现平稳、精确的

抓取和放置动作，减少对电子元件的损伤，提高装配的精度和质量。在对电子产品进行检测

时，连续型软体机械臂能够深入到产品的内部结构，对微小的焊点、线路等进行细致的检查，

及时发现潜在的缺陷和故障，确保产品的质量和性能。

在食品加工行业，卫生和安全是至关重要的因素。连续型软体机械臂的柔软材质和无尖锐边角

的设计，使其在与食品接触时，不会对食品造成划伤或污染，满足了食品加工对卫生安全的严

格要求。在糕点制作过程中，需要将馅料精确地注入到糕点模具中，连续型软体机械臂可以根

据模具的形状和大小，灵活地调整手臂的形状和位置，实现精准的馅料注入，保证每一个糕点

的馅料均匀一致，提高产品的品质和口感。在食品分拣环节，连续型软体机械臂能够根据食品

的形状、大小和重量等特征，准确地抓取和分类不同的食品，提高分拣的效率和准确性，减少

人工操作带来的误差和污染风险。

此外，在工业检测和维护领域，连续型软体机械臂也具有重要的应用价值。对于一些复杂的管

道系统、机械设备内部等难以到达的区域，连续型软体机械臂可以通过其柔性变形能力，深入

到这些区域进行检测和维护。在石油化工行业的管道检测中，连续型软体机械臂可以沿着管道

内部爬行，利用其携带的传感器对管道的壁厚、腐蚀情况等进行实时监测，及时发现管道的安

全隐患，为管道的维护和修复提供依据。在机械设备的维护中，连续型软体机械臂可以进入

到设备的狭小空间内，对零部件进行检查、更换和维修，减少设备的停机时间，提高生产效

率。

2.3.3其他领域

在海洋探索领域，连续型软体机械臂能够发挥重要作用。海洋环境复杂多变，存在着强水流、

高压、低温等极端条件，传统的刚性机械臂在这样的环境中往往面临诸多挑战。而连续型软体

机械臂具有良好的柔韧性和适应性，能够轻松适应复杂的海洋水流环境。在对海底生物进行观

测和采样时，连续型软体机械臂可以像海洋生物的触手一样，在水中灵活摆动，接近目标生

物，避免对其造成惊扰。利用机械臂末端的采样工具，能够精确地采集海底生物样本，为海洋

生物研究提供珍贵的资料。在海底地形探测方面，连续型软体机械臂可以搭载各种探测设

备，如声纳、摄像机等，沿着海底表面进行细致的扫描，获取海底地形的详细信息，为海洋地

质研究和海洋资源开发提供重要的数据支持。

在灾难救援领域，连续型软体机械臂也展现出了独特的优势。在地震、火灾等灾难现场，环境

往往十分复杂，存在着大量的废墟和障碍物，救援人员难以直接进入危险区域进行救援。连续

型软体机械臂可以凭借其柔软可变形的特性，在废墟的缝隙中穿梭，寻找被困人员。通过搭载

生命探测仪等设备，机械臂能够快速准确地检测到生命迹象，并将相关信息传递给救援人员。

在进行救援操作时，连续型炊体机械臂可以利用其灵活的运动能力，搬运废墟中的重物，为被

困人员开辟生存空间，或者为被困人员提供必要的物资和救援设备。

在教育和科研领域，连续型炊体机械臂也具有一定的应用价值。在教育领域，连续型软体机械

臂可以作为一种创新的教学工具，帮助学生更好地理解机器人技术和工程原理。通过实际操作

连续型软体机械臂，学生可以直观地感受柔性结构的运动特点和控制方法，激发学生对科学技

术的兴趣和创造力。在科研领域，连续型软体机械臂可以为生物力学、材料科学等学科的研

究提供实验平台。研究人员可以利用连续型软体机械臂模拟生物的运动行为，研究生物的运动

机理和力学特性；也可以通过对连续型软体机械臂的材料和结构进行改进和优化，探索新型柔

性材料和结构的应用潜力。

三、仿生结构设计

3.1仿生学原理应用

3.1.1模仿的生物原型

在自然界中，章鱼触手、大象鼻子等生物器官展现出了卓越的柔性运动能力，为连续型软体机

械臂的设计提供了丰富的灵感来源。

章鱼作为一种海洋生物，其触手具备令人惊叹的灵活性和适应性。章鱼触手由大量的肌肉纤维

和神经组织构成，没有骨骼的支撑，这使得它能够在三维空间中实现近乎无限自由度的运动。

章鱼触手可以随意地弯曲、扭转和伸展，能够轻松地绕过障碍物，抓取不同形状和大小的物

体。在捕食时，章鱼触手能够迅速地伸出并缠绕住猎物，其动作的敏捷性和精准性令人赞叹。

章鱼触手还具有高度的自主性，即使在与身体分离后，仍然能够对外部刺激做出反应，完成一

些简单的动作。这种独特的运动特性和生理结构，为连续型软体机械臂的设计提供了重要的

参考。

大象鼻子同样是一种极具研究价值的生物结构。大象鼻子由肌肉、神经、血管和结缔组织组

成，没有坚硬的骨骼，却拥有强大的力量和高度的灵活性。大象鼻子可以完成各种复杂的任

务，如抓取物体、搬运重物、喝水、进食等。大象能够生鼻子轻松地卷起一根细小的树枝，也

能够搬运重达数百公斤的木材。大象鼻子还具有敏锐的触觉和嗅觉，能够感知周围环境的变

化，帮助大象寻找食物、水源和同伴。其独特的结构和功能，为连续型软体机械臂在负载能

力、触觉感知等方面的设计提供了有益的启示。

3.1.2从生物特性到机械臂设计的转化

将章鱼触手、大象鼻子等生物的柔性、灵活性等特性转化为机械臂的结构和驱动方式，是仿生

设计的关键环节。

在结构设计方面，借鉴章鱼触手的多腔室结构，可设计出具有多个独立腔室的连续型软体机械

臂,每个腔室可以通过充气或放气来改变其内部压力，从而实现机械臂的弯曲、扭转和伸展。

通过控制不同腔室的压力变化，可以使机械臂模仿章鱼触手的运动方式，实现复杂的运动轨

迹。在模仿章鱼触手的抓握动作时，可通过控制部分腔室的压力增加，使机械臂的末端弯曲并

缠绕住物体，实现稳定的抓取。还可以借鉴大象鼻子的肌肉分布方式，在机械臂的柔性材料

中嵌入不同方向的纤维或筋条，以增强机械臂的强度和稳定性，同时提高其运动的灵活性。这

些纤维或筋条可以像大象鼻子中的肌肉一样，协同工作，控制机械臂的形状和运动。

在驱动方式上，受章鱼触手肌肉收缩驱动的启发，可采用形状记忆合金、介电弹性体等智能材

料作为驱动元件。形状记忆合金在加热或通电时会发生形状变化，通过控制其温度或电流，可

以实现机械臂的精确驱动。介电弹性体在电场作用下会发生变形，利用这一特性可以设计出基

于介电弹性体的驱动装置，为机械臂提供动力。这些智能材料的应用，能够使机械臂更加接近

生物的运动方式，实现更加灵活和高效的运动。

在感知和控制方面，模仿章鱼触手和大象鼻子的神经感知系统，为机械臂配备高灵敏度的传感

器，如压力传感器、应变传感器、触觉传感器等，使其能够实时感知自身的状态和周围环境的

变化。通过建立精确的控制模型，根据传感器反馈的信息，对机械臂的运动进行精确控制，实

现与生物类似的智能运动。利用压力传感器检测机械臂与物体接触时的压力，通过控制算法调

整机械臂的运动，实现对物体的轻柔抓取，避免对物体造成损伤。

三、仿生结构设计

3.1仿生学原理应用

3.1.1模仿的生物原型

在自然界中，章鱼触手、大象鼻子等生物器官展现出了卓越的柔性运动能力，为连续型软体机

械臂的设计提供了丰富的灵感来源。

章鱼作为一种海洋生物，其触手具备令人惊叹的灵活性和适应性。章鱼触手由大量的肌肉纤维

和神经组织构成，没有骨骼的支撑，这使得它能够在三维空间中实现近乎无限自由度的运动。

章鱼触手可以随意地弯曲、扭转和伸展，能够轻松地绕过障碍物，抓取不同形状和大小的物

体。在捕食时，章鱼触手能够迅速地伸出并缠绕住猎物，其动作的敏捷性和精准性令人赞叹。

章鱼触手还具有高度的自主性，即使在与身体分离后，仍然能够对外部刺激做出反应，完成一

些简单的动作。这种独特的运动特性和生理结构，为连续型软体机械臂的设计提供了重要的

参考。

大象鼻子同样是一种极具研究价值的生物结构。大象鼻子由肌肉、神经、血管和结缔组织组

成，没有坚硬的骨骼，却拥有强大的力量和高度的灵活性。大象鼻子可以完成各种复杂的任

务，如抓取物体、搬运重物、喝水、进食等。大象能够生鼻子轻松地卷起一根细小的树枝，也

能够搬运重达数百公斤的木材。大象鼻子还具有敏锐的触觉和嗅觉，能够感知周围环境的变

化，帮助大象寻找食物、水源和同伴。其独特的结构和功能，为连续型软体机械臂在负载能

力、触觉感知等方面的设计提供了有益的启示。

3.1.2从生物特性到机械臂设计的转化

将章鱼触手、大象鼻子等生物的柔性、灵活性等特性转化为机械臂的结构和驱动方式，是仿生

设计的关键环节。

在结构设计方面，借鉴章鱼触手的多腔室结构，可设计出具有多个独立腔室的连续型软体机械

臂。每个腔室可以通过充气或放气来改变其内部压力，从而实现机械臂的弯曲、扭转和伸展。

通过控制不同腔室的压力变化，可以使机械臂模仿章鱼触手的运动方式，实现复杂的运动轨

迹。在模仿章鱼触手的抓握动作时，可通过控制部分腔室的压力增加，使机械臂的末端弯曲并

缠绕住物体，实现稳定的抓取。还可以借鉴大象鼻子的肌肉分布方式，在机械臂的柔性材料

中嵌入不同方向的纤维或筋条，以增强机械臂的强度和稳定性，同时提高其运动的灵活性。这

些纤维或筋条可以像大象鼻子中的肌肉一样，协同工作，控制机械臂的形状和运动。

在驱动方式上，受章鱼触手肌肉收缩驱动的启发，可采用形状记忆合金、介电弹性体等智能材

料作为驱动元件。形状记忆合金在加热或通电时会发生形状变化，通过控制其温度或电流，可

以实现机械臂的精确驱动。介电弹性体在电场作用下会发生变形，利用这一特性可以设计出基

于介电弹性体的驱动装置，为机械臂提供动力。这些智能材料的应用，能够使机械臂更加接近

生物的运动方式，实现更加灵活和高效的运动。

在感知和控制方面，模仿章鱼触手和大象鼻子的神经感知系统，为机械臂配备高灵敏度的传感

器，如压力传感器、应变传感器、触觉传感器等，使其能够实时感知自身的状态和周围环境的

变化。通过建立精确的控制模型，根据传感器反馈的信息，对机械臂的运动进行精确控制，实

现与生物类似的智能运动。利用压力传感器检测机械臂与物体接触时的压力，通过控制算法调

整机械臂的运动，实现对物体的轻柔抓取，避免对物体造成损伤。

3.2新型仿生结构设计方案

3.2.1整体结构设计

本研究设计的连续型软体机械臂整体结构旨在充分融合章鱼触手和大象鼻子的仿生特性，实现

高度灵活且具备强大负载能力的运动性能。机械臂主体由多个柔性段串联而成，各柔性段之间

通过特殊设计的柔性关节连接，以确保机械臂在运动过程中的连续性和灵活性。

在柔性段数量的选择上，综合考虑机械臂的运动灵活性和控制复杂度，确定为［X］个。这一数

量既能保证机械臂具备足够的自由度，实现复杂的运动轨迹，又能使控制算法相对简洁，便于

实现精确控制。例如，在狭窄空间的操作任务中，［X］个柔性段的机械臂可以通过各段的协同

弯曲和扭转，轻松绕过障碍物，到达目标位置。各柔性段沿机械臂的轴向依次排列，形成连续

的柔性结构。这种排列方式使得机械臂在运动时能够像章鱼触手一样，实现连续的弯曲和伸

展，适应不同的工作环境和任务需求。

柔性段之间的连接方式采用一种新型的柔性关节设计。该关节具有良好的柔韧性和可弯曲性，

能够在承受一定扭矩和拉力的同时，实现多个方向的自在转动。柔性关节内部采用特殊的弹性

材料和结构设计，如内置的柔性较链和弹性橡胶垫，使得关节在弯曲时能够保持稳定的力学性

能，避免出现过度变形或断裂的情况。这种柔性关节的设计灵感来源于大象鼻子的关节结构，

它能够像大象鼻子的关节一样，实现机械臂各段之间的灵活连接和协同运动，提高机械臂的整

体运动性能。

3.2.2关键部件设计

•柔性关节：柔性关节是连续型软体机械臂实现灵活运动的核心部件之一。为了进一步提高

柔性关节的性能，在设计上采用了一种基于多层结构的柔性较链设计。该柔性较链由多层

不同弹性模量的材料交替叠加而成，通过合理调整各层材料的厚度和弹性模量，能够有效

优化关节的弯曲刚度和扭转刚度。在靠近关节中心的内层，采用弹性模量较低的材料，以

提高关节的柔韧性和弯曲能力；在关节的外层，采用弹性模量较高的材料，以增强关节的

强度和稳定性，防止在承受较大外力时发生过度变形。还在柔性关节中集成了微型的应变

传感器和压力传感器，这些传感器能够实时监测关节的变形和受力情况，并将数据反馈给

控制系统。通过对这些数据的分析和处理，控制系统可以及时调整机械臂的运动参数，实

现对机械臂运动的精确控制。在机械臂抓取物体时，传感器能够实时感知关节所承受的压

力和扭矩，控制系统根据这些信息调整机械臂的抓取力度和姿态，确保物体被稳定抓取，

避免出现滑落或损坏的情况。

•驱动装置：驱动装置是为连续型软体机械臂提供动力的关键部件，其性能直接影响机械臂

的运动效率和精度。本研究采用形状记忆合金(SMA)丝作为驱动元件，利用形状记忆合

金在加热时发生形状变化的特性来实现机械臂的驱动。为了提高驱动效率和响应速度，对

SMA丝的驱动电路进行了优化设计。采用了一种基于脉冲宽度调制(PWM)技术的驱动

电路，通过精确控制PWM信号的占空比和频率，能够快速、准确地调FSMA丝的加热

功率，从而实现对机械臂运动的精确控制。在机械臂需要快速弯曲时，通过增大PWM信

号的占空比，使SMA丝迅速加热，产生较大的收缩力，实现机械臂的快速弯曲；在机械

臂需要精确控制位置时，通过微调PWM信号的占空比和频率，使SMA丝的加热功率稳

定在合适的范围内，实现机械臂的精确位置控制。

为了进一步提高驱动装置的性能，还设计了一种新型的SMA丝缠绕方式。将SMA丝按照特

定的螺旋角度和间距缠绕在柔性关节的外部，使得SMA丝在收缩时能够产生均匀的拉力，驱

动柔性关节实现稳定的弯曲和扭转运动。通过优化SMA丝的缠绕参数，如螺旋角度、间距和

层数等，可以根据机械臂的运动需求，调整驱动装置的输出力和运动特性，提高机械臂的整体

性能。

3.2.3材料选择与特性

连续型软体机械臂的性能很大程度上取决于所选用的材料，因此，合理选择材料至关重要。本

研究主要选用了硅胶和形状记忆合金(SMA)作为机械臂的主要材料，它们各自独特的特性

为机械臂的性能提供了有力保障。

硅胶作为一种常见的柔性材料，具有诸多适合连续型软体机械臂的特性。它具有良好的柔韧性

和弹性，能够在较大范围内发生变形而不损坏，这使得机械臂能够实现各种复杂的弯曲和扭转

动作。硅胶的柔软质地使其在与外界物体接触时，能够有效地缓冲冲击力，避免对周围环境造

成损伤，特别适合在需要与人或脆弱物体进行交互的场景中使用。硅胶还具有优异的生物相容

性，这使得机械臂在医疗领域的应用中具有独特的优势，能够安全地与人体组织接触，不会引

起免疫反应或其他不良反应。在医疗手术中，硅胶制成的软体机械臂可以轻柔地接触人体器

官，进行精确的操作，减少对患者的伤害。

形状记忆合金(SMA)则是一种智能材料，具有独特的形状记忆效应和超弹性特性。在一定

温度范围内，SMA可以被变形为任意形状，当温度升高到特定值时，它会迅速恢复到原来的

形状，这种形状记忆效应为机械臂的驱动提供了新的方式。通过控制SMA的温度变化，可以

实现机械臂的精确驱动和运动控制。在机械臂的抓取动作中，通过加热SMA丝使其收缩，带

动机械臂末端的夹爪闭合，实现对物体的抓取；当需要释放物体时，降低SMA丝的温度，使

其恢复原状，夹爪张开，释放物体。SMA还具有超弹性特性，即在一定的应力范围内，它能

够产生较大的弹性变形，且在卸载后能够完全恢复原状。这种特性使得SMA在承受外力时，

能够有效地吸收能量，保护机械臂的结构不受损坏，提高了机械臂的可靠性和耐久性。

3.3与传统结构的对比优势

新型仿生结构的连续型软体机械臂在多个关键方面展现出相较于传统刚性结构的显著优势，这

些优势使其在复杂多变的应用场景中具有更广阔的发展前景和应用价值。

在运动灵活性方面，传统刚性机械臂由离散的关节和连杆组成，其运动自由度受到关节数量和

结构的限制，只能在有限的角度范围内进行转动和平移，难以实现复杂的连续运动。在狭窄的

管道或复杂的空间环境中，刚性机械臂的关节活动受限，无法灵活地调整姿态以适应环境变

化“而连续型软体机械臂采用柔性材料和连续结构，具有无限自由度，能够实现连续的弯曲、

扭转和伸展，运动轨迹更加灵活多样。在工业检测中，连续型软体机械臂可以轻松地进入复杂

的管道系统，沿着管道的弯曲路径进行检测，而刚性机械臂则可能因无法适应管道的形状而无

法完成任务。在医疗手术中，连续型软体机械臂能够在人体的血管、消化道等狭窄腔道内自由

弯曲，准确地到达病变部位，为手术提供更精准的操作。

在环境适应性上，传统刚性机械臂由于其结构的刚性和固定性，对工作环境的要求较高，在面

对复杂、不规则的环境时，容易受到障碍物的阻碍，无法顺利完成任务。在救援现场的废墟

中，刚性机械臂可能会被倒塌的建筑物碎片卡住，无法继续前进。而连续型软体机械臂的柔性

结构使其能够适应各种复杂的环境，轻松绕过障碍物，到达目标位置。在海洋探索中，连续型

软体机械臂可以在强水流、高压等恶劣环境下，根据水流和地形的变化，灵活地调整自身形

状，完成对海底生物的观测和采样任务。在灾难救援现场，它能够在废墟的缝隙中穿梭，寻找

被困人员，为救援工作提供有力支持。

安全性也是连续型软体机械臂的一大优势。传统刚性机械臂在与人类或其他物体交互时，由于

其坚硬的材质和较大的惯性，一旦发生碰撞，可能会对周围物体和人员造成严重伤害。在人机

协作的工业生产中，刚性机械臂的意外碰撞可能会导致工人受伤。而连续型软体机械臂的柔软

材质在发生碰撞时，能够有效地缓冲冲击力，降低对周围物体和人员的伤害风险。在医疗领

域，连续型软体机械臂在与人体组织接触时，能够轻柔地操作，避免对脆弱的器官和血管造成

损伤；在服务机器人领域，它可以安全地与人类进行互动，为人们提供帮助，如在家庭服务

中，不会对家庭成员造成意外伤害。

四、运动特性分析

4.1运动特性指标

4.1.1灵活性

灵活性是衡量连续型软体机械臂运动特性的关键指标之一，它直接反映了机械臂在不同环境下

实现复杂运动的能力。连续型软体机械臂由于其独特的柔性结构和无限自由度的特点，具备卓

越的灵活性。在狭窄空间中，如管道内部、狭小的仪器设备间隙等，传统刚性机械臂往往因结

构限制而难以施展，而连续型软体机械臂却能够像蛇类在洞穴中穿梭一样，通过连续的弯曲和

扭转，轻松绕过障碍物，到达目标位置°在管道检测任务中，软体机械臂可以根据管道的形状

和走向，自由地调整自身形态，实现对管道内部各个部位的全面检测。在医疗手术中，连续型

软体机械臂能够在人体的血管、消化道等狭窄腔道内灵活运动，准确地到达病变部位，为手术

操作提供了更高的精度和安全性。

为了定量评估连续型软体机械臂的灵活性，可引入灵活性指标，如运动自由度、弯曲半径、扭

转角度等。运动自由度是指机械臂能够独立运动的方向数量，连续型软体机械臂的无限自由度

使其在理论上能够实现任意方向的运动，这是传统刚性机械臂无法比拟的。弯曲半径则反映了

机械臂能够弯曲的最小程度，弯曲半径越小，说明机械臂的灵活性越高。通过实验和仿真，可

以测量不同负载和驱动条件下机械臂的弯曲半径，从而评估其在不同工况下的灵活性。扭转角

度也是衡量灵活性的重要指标，它表示机械臂能够绕自身轴线旋转的角度范围，较大的扭转角

度能够使机械臂在操作过程中更加灵活，适应不同的工作需求。

4.1.2适应性

适应性是连续型软体机械臂在实际应用中需要具备的重要特性，它体现了机械臂对不同工作场

景和任务的适应程度。连续型软体机械臂能够适应多种复杂的工作环境，无论是高温、高压、

潮湿等恶劣的自然环境，还是具有复杂几何形状和不规则表面的工作对象，都能应对自如。在

高温环境下，如工业熔炉内部的检测和维护，传统刚性机械臂可能会因材料的热膨胀和热疲劳

而出现性能下降甚至损坏，而连续型软体机械臂采用的耐高温材料和柔性结构，能够在一定程

度上抵抗高温的影响，保持王常的工作性能。在高压环境中，如深海探测，软体机械臂的柔性

材料能够更好地承受水压，避免因刚性结构的应力集中而导致的损坏，从而实现对深海环境的

有效探测和作业。

在面对不同形状和尺寸的物体时，连续型软体机械臂的柔性结构使其能够通过自身的变形，紧

密贴合物体表面，实现稳定的抓取和操作。在抓取不规则形状的物体时，软体机械臂可以像章

鱼触手一样，根据物体的形状调整自身的形态，通过多个部位的协同作用，实现对物体的牢固

抓取。在不同的工作任务中，连续型软体机械臂也能够通过调整自身的运动方式和控制策略，

适应不同的任务需求。在医疗手术中，根据手术的具体要求，软体机械臂可以灵活地调整运动

速度、力度和精度，完成对病变组织的切除、缝合等操作；在工业生产中，根据产品的生产工

艺和质量要求，机械臂可以准确地完成物料搬运、零件装配等任务。

为了评估连续型软体机械臂的适应性，可通过设置不同的工作场景和任务，对机械臂的性能进

行测试和分析。在不同温度、湿度、压力等环境条件下，测试机械臂的运动特性和工作可靠

性；在面对不同形状和尺寸的物体时，观察机械臂的抓取和操作效果；在执行不同类型的任务

时，评估机械臂的任务完成能力和效率。通过这些测试和分析，可以全面了解机械臂的适应

性，为其在实际应用中的优化和改进提供依据。

4.1.3精度

精度是衡量连续型软体机械臂执行任务能力的重要指标，它直接影响着机械臂在实际应用中的

工作质量和效果。精度主要包括定位精度和运动轨迹精度两个方面。定位精度是指机械臂末端

能够准确到达目标位置的能力，它反映了机械臂在空间中的定位准确性。运动轨迹精度则是指

机械臂在运动过程中，其末端实际运动轨迹与预定运动轨迹的符合程度，它体现了机械臂在运

动过程中的控制精度。

在实际应用中，连续型软体机械臂的精度受到多种因素的影响，如材料的弹性变形、驱动系统

的控制精度、传感器的测量误差等。由于软体机械臂采用的是柔性材料，在受力时会发生弹性

变形，这会导致机械臂的实际运动与理论运动存在偏差，从而影响精度。驱动系统的控制精度

也对精度有着重要影响，如果驱动系统无法精确地控制机械臂的运动，就会导致机械臂的定位

和运动轨迹出现误差。传感器的测量误差也是影响精度的一个重要因素，传感器用于测量机械

臂的位置、姿态和受力等信息，如果传感器的测量不准确，就会导致控制系统接收到错误的信

息，从而影响机械臂的精度。

为了提高连续型软体机械臂的精度，可采取一系列措施。在材料方面，选择弹性模量稳定、变

形小的材料，以减少材料弹性变形对精度的影响。在驱动系统方面，采用高精度的驱动元件和

先进的控制算法，提高驱动系统的控制精度。在传感器方面，选用精度高、可靠性好的传感

器，并对传感器进行校准和误差补偿，以提高传感器的测量精度。还可以通过建立精确的运动

学和动力学模型，对机械臂的运动进行预测和补偿，进一步提高精度。

为了评估连续型软体机械臂的精度，可通过实险测量机械臂末端的实际位置和运动轨迹，并与

预定的目标位置和运动轨迹进行比较。使用高精度的测量设备，如激光跟踪仪、三坐标测量仪

等，对机械臂的运动进行实时监测和测量。通过计算实际位置与目标位置之间的偏差，以及实

际运动轨迹与预定运动轨迹之间的误差，来评估机械臂的定位精度和运动轨迹精度。根据评估

结果，可以对机械臂的结构,驱动系统和控制系统进行优化和改进，以提高精度。

4・1・4负载能力

负载能力是连续型软体机械臂的重要性能指标之一，它决定了机械臂能够承受的最大负载，以

及在不同负载条件下的运动性能。连续型软体机械臂的负载能力受到多种因素的影响，包括材

料的强度、结构的设计、驱动系统的输出力等。材料的强度是影响负载能力的关键因素之一，

采用高强度的材料可以提高机械臂的承载能力。在结构设计方面，合理的结构设计可以优化机

械臂的受力分布，提高其负载能力。驱动系统的输出力也直接关系到机械臂的负载能力，强大

的驱动系统能够提供足够的动力，使机械臂能够承受更大的负载。

当连续型软体机械臂承受负载时，其运动性能会受到一定的影响。负载会增加机械臂的惯性，

导致其运动速度降低、响应时间延长。负载还可能引起机械臂的变形，从而影响其运动精度和

灵活性。在抓取重物时，机械臂可能会因为负载过大而发生弯曲变形，导致抓取位置不准确，

甚至无法完成抓取任务。因此，在设计和应用连续型软体机械臂时，需要充分考虑负载对其运

动性能的影响，合理选择材料和结构，优化驱动系统，以确保机械臂在不同负载条件下都能保

持良好的运动性能C

为了研究连续型软体机械臂的负载能力，可通过实验测试机械臂在不同负载下的运动性能。逐

渐增加负载的重量，观察机械臂的运动状态，记录其运动速度、加速度、变形量等参数。通过

分析这些参数的变化，了解负载对机械臂运动性能的影响规律0还可以通过建立力学模型，对

机械臂在负载作用下的受力情况进行分析，预测其负载能力和运动性能的变化，为机械臂的设

计和优化提供理论依据。

四、运动特性分析

4.2运动学建模

4.2.1建模方法选择

在对连续型软体机械臂进行运动学建模时，存在多种建模方法可供选择，每种方法都有其独特

的优势和适用场景C

D-H参数法是一种经典的运动学建模方法，广泛应用于/专统刚性机械臂的建模中。该方法通

过建立连杆坐标系，用四个参数（连杆长度a_i、连杆扭转角\alpha_i、关节偏距d_i和关节转

角\theta_i）来描述相邻连杆之间的相对位置和姿态关系。通过一系列的坐标变换矩阵，可以

推导出机械臂末端执行器相对于基坐标系的位姿，从而建立起机械臂的运动学模型。D-H参

数法的优点在于其建模过程相对规范、系统，能够清晰地描述机械臂的运动学关系，便于进行

运动学分析和控制算法的设计。在工业机器人的运动学建模中，D-H参数法被广泛应用，能

够准确地计算机器人末端的位置和姿态，为机器人的运动控制提供了重要的理论基础。然而，

对于连续型软体机械臂而言，由于其柔性结构和无限自由度的特点，传统的D-H参数法在应

用时存在一定的局限性。连续型软体机械臂的变形是连续且复杂的，难以用离散的连杆和关节

来准确描述，使得D-H参数的确定变得困难。

有限元法是另一种重要的建模方法，它将连续的物体离散为有限个单元，通过对每个单元的力

学分析和求解，来获得整个物体的力学响应。在连续型软体机械臂的运动学建模中，有限元法

可以考虑机械臂的材料特性、几何形状以及外部载荷等因素，对机械臂的变形和运动进行精确

的模拟。通过建立有限元模型，可以分析机械臂在不同驱动条件下的应力、应变分布，以及运

动轨迹和姿态的变化。有限元法的优势在于能够处理复杂的几何形状和材料特性，对连续型软

体机械臂的非线性变形和力学行为具有较好的模拟能力。在研究软体机械臂在复杂外力作用下

的运动特性时，有限元法可以准确地模拟机械臂的变形过程，为结构优化和性能分析提供详细

的数据。但是，有限元法的计算量较大，对计算资源和时间要求较高，模型的建立和求解过程

也相对复杂，需要专业的知识和软件工具。

综合考虑连续型软体机械臂的结构特点和研究需求，本研究选择基于曲线理论的建模方法。连

续型软体机械臂的运动可以看作是一条连续曲线在空间中的变形和运动，基于曲线理论的建模

方法能够更好地描述其连续变形的特性。该方法通过定义曲线的参数方程，如B样条曲线、

NURBS曲线等，来描述机械臂的形状和位置。通过对曲线参数的调整，可以实现对机械臂运

动的控制和分析。这种方法能够充分考虑机械臂的柔性和连续性，避免了传统D-H参数法在

处理连续型结构时的局限性，同时相较于有限元法，计算量相对较小，模型的建立和求解过程

相对简单，更适合本研究对连续型软体机械臂运动学建模的需求。

4.2.2模型建立过程

基于曲线理论建立连续型软体机械臂运动学模型，首先需进行坐标系的建立。以机械臂的基座

中心为原点，建立直角坐标系O-XYZ作为全局坐标系，该坐标系为描述机械臂在空间中的

整体位置和姿态提供了基准。在机械臂的每个柔性段上，建立局部坐标系。以第i个柔性段为

例，将其起始端的中心作为局部坐标系O_i・x_iy_izJ的原点，z_i轴沿着柔性段的轴线方

向，x_i轴和y_i轴则根据右手定则确定，分别垂直于z_i轴且相互垂直。通过这种方式，每个

柔性段都有了自己独立的局部坐标系，便于对其进行单独的运动分析。

参数的确定是模型建立的关键环节。根据连续型软体机械臂的结构特点和运动特性，选取合适

的曲线参数来描述其形状和位置。本研究采用B样条曲线来描述机械臂的形状，B样条曲线

具有良好的局部控制性能和光滑性，能够准确地拟合机械臂的连续变形。对于B样条曲线，

需要确定控制点的位置和数量。控制点的位置决定了曲线的形状，通过调整控制点的坐标，可

以改变机械臂的弯曲程度和方向。控制点的数量则影响曲线的精度和计算复杂度，根据机械臂

的长度和运动精度要求，合理确定控制点的数量。在本研究中，通过对机械臂的运动分析和实

验脸证，确定每个柔性段采用［X］个控制点来描述其形状，既能保证曲线对机械臂形状的准确

拟合，又能控制II算量在可接受范围内。

除了曲线参数，还需确定与机械臂运动相关的其他参数，如驱动参数、弹性参数等。驱动参数

与机械臂的驱动方式密切相关，对于采用形状记忆合金(SMA)丝驱动的机械臂，驱动参数

包括SMA丝的加热电流、温度等，这些参数直接影响SMA丝的收缩力和变形量，从而决定

机械臂的运动。弹性参数则反映了机械臂材料的弹性特性，如弹性模量、泊松比等，这些参数

在分析机械臂的受力和变形时起着重要作用。通过实验测试和材料特性分析，获取机械臂材料

的弹性参数，为运动学模型的建立提供准确的数据支持。

在确定了坐标系和参数后，建立机械臂的运动学方程。根据B样条曲线的数学表达式，结合

机械臂的几何关系和运动约束，推导出机械臂末端在全局坐标系中的位置和姿态与曲线参数之

间的关系。通过对曲线参数的求解和计算，得到机械臂在不同时刻的运动状态，包括位置、速

度、加速度等。在推导运动学方程时，充分考虑机械臂的柔性变形和连续运动特性，确保方程

能够准确描述机械臂的实际运动情况。通过对运动学方程的求解和分析，能够深入了解机械臂

的运动规律，为后续的运动控制和性能优化提供理论依据。

4.2.3模型验证与分析

为了验证基于曲线理论建立的连续型软体机械臂运动学模型的准确性，进行了一系列实验，并

将实验数据与模型预测结果进行对比分析。

实验设置如下：搭建连续型软体机械臂实验平台，包括机械臂本体、驱动系统、控制系统和测

量装置。驱动系统采用形状记忆合金(SMA)丝驱动，通过控制SMA丝的加热电流夹实现机

械臂的运动。控制系统负责发送控制信号，调节驱动系统的工作状态。测量装置采用高精度的

激光位移传感器和角度传感器，用于实时测量机械臂的位置和姿态。在实验过程中，设置不同

的运动任务，如直线运动、弯曲运动和抓取运动等，记录机械臂在运动过程中的实际位置和姿

态数据。

将实验数据与模型预测结果进行对比，结果表明，在直线运动任务中，模型预测的机械臂末端

位置与实验测量值的平均误差在［X］mm以内，在弯曲运动任务中，模型预测的弯曲角度与实

验测量值的平均误差在［X］。以内，验证了模型的准确性。在一些复杂的运动情况下，模型预

测结果与实验数据仍存在一定偏差。这可能是由于模型在建立过程中对一些复杂因素的简化，

如机械臂材料的非线性特性、驱动系统的响应延迟等。

该模型的优点在于能够准确描述连续型软体机械臂的连续变形和无限自由度运动特性，为机械

臂的运动分析和控制提供了有效的工具。模型的计算效率较高，能够满足实时控制的需求「然

而，模型也存在一些不足之处，如对材料非线性特性和复杂环境因素的考虑不够全面，导致在

某些情况下模型的准确性受到影响。

针对模型存在的问题，提出以下改进建议：进一步研究机械臂材料的非线性特性，将其纳入模

型中，以提高模型的准确性；考虑驱动系统的响应延迟和其他干扰因素，对模型进行优化，增

强模型的鲁棒性；结合更多的传感器数据，如应力传感器、触觉传感器等，对模型进行实时修

正和更新，使其能够更好地适应复杂的工作环境C

4.3影响运动特性的因素

4.3.1结构参数

连续型软体机械臂的运动特性受到多种结构参数的显著影响，深入研究这些参数的作用机制，

对于优化机械臂的设计和性能具有重要意义。

柔性段长度是影响机械臂运动特性的关键参数之一。较长的柔性段可以使机械臂具有更大的运

动范围和更高的灵活性，能够在更广阔的空间内完成复杂的运动任务。在海洋探测中，较长的

柔性段可以使机械臂深入海底的沟壑和洞穴，进行详细的探测和采样。柔性段过长也会导致机

械臂的刚度降低，承载能力下降，在承受较大负载时容易发生变形，影响运动精度和稳定性。

在搬运重物时，过长的柔性段可能会因无法承受重物的重量而发生弯曲，导致物体掉落。相

反，较短的柔性段虽然可以提高机械臂的刚度和承载能力，但会限制其运动范围和灵活性。在

狭窄空间内操作时，较短的柔性段可能无法到达目标位置，影响任务的完成。

柔性段直径同样对机械臂的运动特性有着重要影响。较大的直径可以增加机械臂的刚度和承载

能力，使其能够承受更大的负载。在工业搬运中，直径较大的机械臂可以搬运较重的货物，提

高生产效率。直径过大也会使机械臂的灵活性降低，运动时的惯性增大，导致响应速度变慢。

在需要快速响应的任务中，如电子制造中的零件装配，过大的直径会影响机械臂的操作效率。

较小的直径可以提高机械臂的灵活性和响应速度，但会降低其刚度和承载能力。在医疗手术

中，直径较小的机械臂可以在人体的微小血管中灵活操作，但承载能力有限，无法进行较大力

度的操作。

关节刚度是连续型软体机械臂运动特性的另一个重要影响因素。较高的关节刚度可以使机械臂

在运动过程中保持稳定的形状和姿态，提高运动精度。在进行精密加工时，高关节刚度的机械

臂可以确保加工工具准确地到达目标位置，保证加工精度。关节刚度过高会使机械臂的灵活性

降低，运动时需要消耗更多的能量，而且在与外界物体接触时，容易产生较大的冲击力，对周

围物体造成损伤。在人机协作的场景中，过高的关节刚度可能会对操作人员造成伤害。较低的

关节刚度可以提高机械臂的灵活性和柔顺性，使其在与外界物体接触时更加安全。在康复治疗

中，低关节刚度的机械臂可以轻柔地与患者肢体接触，提供舒适的康复训练。关节刚度过低会

导致机械臂在运动过程中容易发生变形，影响运动精度和稳定性。在进行需要精确控制的任务

时，低关节刚度的机械臂可能无法准确地完成任务。

4.3.2驱动方式

连续型软体机械臂的驱动方式对其运动性能有着至关重要的影响，不同的驱动方式具有各自的

特点和优势，在实际应用中需要根据具体需求进行选择。

气压驱动是一种常见的驱动方式，其工作原理是利用压缩空气的压力来推动机械臂的运动。气

压驱动具有响应速度快的优点，能够使机械臂迅速地做出动作，适用于需要快速响应的任务，

如在工业生产中的高速分拣和装配。气压驱动的结构相对简单，成本较低，维护方便，这使得

气压驱动的连续型软体机械臂在一些对成本敏感的应用场景中具有较大的优势c气压驱动也存

在一些缺点，由于空气的可压缩性，气压驱动的机械臂在运动过程中容易出现位置控制精度不

高的问题，难以满足一些对精度要求较高的任务。在进行精密零件的装配时，气压驱动可能无

法准确地将零件放置在指定位置。气压驱动的输出力相对较小，对于需要较大负载能力的任

务，可能无法胜任。

液压驱动是另一种常用的驱动方式，它通过液体的压力来驱动机械臂运动。液压驱动的主要优

点是输出力大，能够使机械臂承受较大的负载，适用于工业搬运、建筑施工等需要强大动力的

场景。在搬运重型货物时，液压驱动的机械臂能够轻松地提起重物，完成搬运任务。液压驱动

的运动平稳性好，由于液体的不可压缩性，液压驱动的机械臂在运动过程中能够保持较为稳定

的速度和位置，能够提供较高的运动精度，适合对精度要求较高的任务。液压驱动也存在一些

不足之处，其系统结构复杂，需要配备油泵、油箱、油管等多种设备，成本较高；液压系统的

维护和保养要求较高，需要定期更换液压油和过滤器，以确保系统的正常运行；液压驱动的响

应速度相对较慢，在需要快速响应的任务中，可能无法满足要求。

绳驱动是利用绳索的拉力来驱动连续型软体机械臂的运动。绳驱动的优点是结构简单，易丁实

现，通过合理布置绳索的位置和走向，可以实现机械臂的多种复杂运动。绳驱动还具有较高的

灵活性，能够使机械臂在狭小空间内灵活运动，适用于一些对空间要求较高的应用场景，如在

管道检测中，绳驱动的机械臂可以在狭窄的管道内自由穿梭。绳驱动也存在一些问题，绳索在

长期使用过程中容易出现磨损和疲劳，影响驱动系统的可靠性和寿命；绳驱动的力传递效率相

对较低，在传递较大的力时，可能会出现绳索打滑等问题，影响机械臂的运动性能。

4.3.3控制算法

控制算法是实现连续型软体机械臂精确运动控制的核心，不同的控制算法对机械臂的运动精度

和稳定性有着不同的影响。

PID控制是一种经典的控制算法，广泛应用于各种控制系统中。PID控制算法通过比例

(P)、积分⑴和微分(D)三个环节对系统的误差进行处理，从而实现对系统的精确控

制。在连续型软体机械臂的控制中，PID控制算法具有结构简单、易于实现的优点。它能够根

据机械臂的实际位置与目标位置之间的误差，快速调整控制信号，使机械臂朝着目标位置运

动。在一些对控制精度要求不是特别高的简单任务中，PID控制算法能够取得较好的控制效

果，能够使机械臂较为准确地到达目标位置。然而，由于连续型软体机械臂具由高度的非线性

和强耦合性，PID控制算法在处理复杂的运动任务时，可能会出现控制精度不足的问题。在机

械臂进行复杂的轨迹跟踪任务时，由于其运动过程中的非线性因素，PID控制算法可能无法准

确地跟踪目标轨迹，导致运动误差较大。

模糊控制是一种基于模糊逻辑的智能控制算法，它能够处理不确定和模糊的信息，适用于连续

型软体机械臂这种具有复杂特性的系统。模糊控制算法通过建立模糊规则库，将输入的误差和

误差变化率等信息进行模糊化处理，然后根据模糊规则进行推理，得出相应的控制量。模糊控

制算法不需要建立精确的数学模型，能够更好地适应连填型软体机械臂的非线性和不确定性。

在面对外界干扰和模型参数变化时，模糊控制算法能够根据模糊规则进行灵活调整，使机械臂

保持较好的运动性能.在机械臂抓取不同形状和重量的物体时，模糊控制算法能够根据传感器

反馈的信息，自动调整控制策略，实现稳定的抓取。模糊控制算法的控制精度相对较低，在一

些对精度要求极高的任务中，可能无法满足要求。而且模糊控制算法的设计和调试相对复杂，

需要根据实际情况合理确定模糊规则和隶属度函数。

除了PID控制和模糊控制算法外，还有许多其他的控制算法，如自适应控制算法、神经网络

控制算法等，它们各自具有浊特的优势和适用场景。自适应控制算法能够根据系统的实时状态

和外界环境的变化，自动调整控制参数，以适应不同的工作条件；神经网络控制算法则通过模

拟人类大脑的神经网络结构，对大量的数据进行学习和训练，从而实现对机械臂的智能控制。

在实际应用中，需要根据连续型软体机械臂的具体特点和任务需求，选择合适的控制算法，以

实现对机械臂的精确控制和高效运行。

五、仿真与实验验证

5.1仿真验证

5.1.1仿真软件选择

在对连续型软体机械臂进行仿真验证时，众多仿真软件各具优势，而ADAMS(Automatic

DynamicAnalysisofMechanicalSystems)和ANSYS凭借其强大的功能和广泛的应用领

域，成为了有力的候选软件。

ADAMS是一款基于多体动刀学原理的专业仿真软件，在机械系统的动力学和运动仿真方面表

现卓越。它能够精确地模拟刚体和柔性体的运动，对机械系统中的关节、连接件和传感器进行

建模，还可以模拟各种驱动装置的工作情况。在汽车行业，ADAMS被广泛应用于车辆悬挂系

统的设计和分析，能够准确地模拟悬挂系统在不同路况下的运动和受力情况，为悬挂系统的优

化设计提供了重要依据。在机器人领域，ADAMS可以对机器人的运动轨迹、速度、加速度等

参数进行精确计算和分析，帮助工程师优化机器人的运动性能。ADAMS的用户界面直观友

好，操作相对简便，通过可视化建模、拖放式设计和交互式设置参数等功能，用户可以快速创

建模型。它还提供了内置的仿直向导，能够指导用户完成复杂的分析过程，即使是初学者也能

较快上手。此外，ADAMS支持利用脚本语言进行自定义和扩展，满足用户的个性化需求。

ANSYS则是一个综合性的工程仿真平台，涵盖了结构力学、流体力学、电磁场和热传导等多

个领域。在结构力学分析方面，ANSYS能够对各种复杂结构进行静态和动态分析，计算结构

的应力、应变和变形等参数，为结构的强度和稳定性评估提供准确的数据。在航空航天领域，

ANSYS常用于飞机结构的分析和优化，确保飞机在各种飞行条件下的结构安全。ANSYS在

多物理场耦合分析方面具有遗大的功能，能够考虑多个物理场之间的相互作用，如热-结构耦

合、流-固耦合等，这对于研究连续型软体机械臂在复杂环境下的性能具有重要意义。

ANSYS提供了丰富而强大的建模和求解工具，虽然其用户界面相对复杂，需要一定的培训和

经验才能熟练操作，但对于专业工程师和研究人员来说，能够满足他们对复杂模型和高精度分

析的需求。ANSYS还允许用户通过脚本和自定义代码进行高级模型构建和分析，并支持与其

他工程软件的集成，提高了工作效率和分析的准确性。

综合考虑连续型软体机械臂的仿真需求，本研究选择ANSYS作为主要的仿真软件。连续型软

体机械臂的运动特性研究涉及到结构的力学分析和变形计算，ANSYS在结构力学分析方面的

强大功能能够满足对机械臂结构性能的深入研究需求。在分析机械臂在不同负载和驱动条件下

的应力和应变分布时，ANSYS能够提供精确的计算结果为结构优化提供可靠依据。而且，

ANSYS的多物理场耦合分析功能可以考虑到机械臂在实际工作中可能受到的多种物理因素的

影响，如温度、流体等，使仿真结果更加接近实际情况。虽然ANSYS的操作相对复杂，但通

过合理的学习和实践，能够充分发挥其优势，为连续型软体机械臂的研究提供有力支持。

5.1.2仿真模型建立

在ANSYS软件中建立连续型软体机械臂的仿真模型，是进行仿真分析的关键步骤。

首先，定义机械臂的材料属性。根据实际选用的材料，如硅胶和形状记忆合金(SMA),在

ANSYS中准确设置其各项物理参数。对于硅胶，设置其弹性模量、泊松比、密度等参数，以

反映其柔软、弹性的力学特性。假设硅胶的弹性模量为凶MPa,泊松比为[X],密度为[X]

kg/m3,这些参数是通过对硅胶材料进行实验测试得到的，能够准确描述硅胶在受力时的变形

和力学响应。对于形状记忆合金，除了设置基本的力学参数外，还需考虑其独特的形状记忆效

应和超弹性特性。通过定义形状记忆合金的相变温度、相变潜热等参数，模拟其在加热和冷却

过程中的形状变化和力学性能变化。设置形状记忆合金的奥氏体相变开始温度为[X]°C,结束

温度为凶℃,马氏体相变开始温度为凶℃,结束温度为凶°C,相变潜热为凶J/kg,这些

参数的准确设置对于模拟形状记忆合金驱动的机械臂运动至关重要。

接着，进行几何建模。根据设计的连续型软体机械臂的结构尺寸，在ANSYS中创建精确的三

维模型。模型包括机械臂的主体、柔性关节、驱动装置等各个部分。在创建机械臂主体时，按

照设计的柔性段长度和直径，使用合适的建模工具生成连续的柔性结构。对于柔性关节，采用

特殊的几何形状和结构设计，以模拟其良好的柔韧性和可弯曲性。在创建驱动装置时，根据形

状记忆合金丝的缠绕方式和布局，准确地在模型中进行表示。将形状记忆合金丝按照特定的螺

旋角度和间距缠绕在柔性关节的外部，确保模型能够准确反映驱动装置的工作原理和力学特

性。

设置约束条件是仿真模型建立的重要环节。在模型中，招机械臂的基座固定，模拟其实际工作

时的安装状态，确保机械臂在仿真过程中以基座为基准进行运动。根据机械臂的运动方式和实

际工作情况，在柔性关节处设置相应的转动约束，使关节能够按照设计的自由度进行转动，同

时限制其他不必要的运动。在机械臂与外界物体接触的部位，根据接触的性质和条件，设置合

适的接触约束，如摩擦系数、接触刚度等，以模拟机械臂与外界物体的相互作用。假设机械臂

与物体接触时的摩擦系数为[X],接触刚度为这些参数的设置能够使仿直结果更加

真实地反映机械臂在实际工作中的受力和运动情况。

最后，定义载荷和边界条件。根据机械臂的驱动方式和工作任务，在模型中施加相应的载荷。

对于采用形状记忆合金丝驱动的机械臂，通过设置形状比忆合金丝的加热电流或温度，模拟其

收缩力对机械臂的驱动作用。设置形状记忆合金丝的加热电流为[X]A,通过控制电流的大小

来调节形状记忆合金丝的收缩力，从而实现对机械臂运动的控制。根据机械臂在实际工作中可

能受到的外力，如重力、负载力等，在模型中施加相应的载荷。假设机械臂在工作时需要承受

[X]N的负载力，将该负载力准确地施加在机械臂的末端或相应部位，以模拟机械臂在负载情

况下的运动和力学性能。

5.1.3仿真结