一種氣動(dòng)四足直線運(yùn)動(dòng)的軟體機(jī)器人

保文珵

摘 要：本文提出了一種四足直線運(yùn)動(dòng)的軟體機(jī)器人。首先，給出了基于氣體驅(qū)動(dòng)的軟體機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。然后，利用SolidWorks3D打印技術(shù)打印出軟體機(jī)器人身體的各個(gè)部位模具，采用的環(huán)氧樹脂橡膠材料進(jìn)行填充從而獲得軟體機(jī)器人部件并并進(jìn)行組合。最后，以針管為氣體動(dòng)力來源，通過實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了該軟體機(jī)器人直線運(yùn)動(dòng)。

關(guān)鍵詞：四足軟體機(jī)器人；氣動(dòng)；3D打印

Abstract：A type of four-footed soft robot with line motion is presented using pneumatic in this paper.， First of all， the structure of four-footed soft robot has been designed using gas driving.Secondly，the soft robots parts moulds are built based on SolidWorks and obtained by 3D printing technology.Then， the epoxy resin material is adapt to fill in order to obtain the soft robot parts and combine them. Finally the experiment result shows the robot can achieve liner motion by syringe suppling gases.

Key words：four-footed soft robot；Pneumatic；3D print

軟體機(jī)器人顧名思義就是一種通過研究軟體動(dòng)物的外貌，從而進(jìn)行仿制的一種新型機(jī)器人。這種機(jī)器人不是由剛性的材料所構(gòu)成，而是由可以承受大應(yīng)變的柔軟材料制作的，其目的就是為了讓這種機(jī)器人可以做到自由的彎曲，擁有極高的自由度以至于可以輕松適應(yīng)任何環(huán)境。正是因?yàn)槿绱耍@使得軟體機(jī)器人在軍事，救援，醫(yī)療等方面都有著廣泛的用途[ 1 ]。

目前，軟體機(jī)器人的研究仍處于起步階段，還沒有成熟的理論設(shè)計(jì)方法，大多都處于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證階段。文[2]仿照蠕蟲運(yùn)動(dòng)方式，設(shè)計(jì)了同時(shí)具有爬行、滾動(dòng)、直立三種移動(dòng)方式的軟體蠕蟲，并采用形狀記憶合金彈簧來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。文[3]以人體體內(nèi)病患處精確用藥為背景，提出了膠囊類形的軟體機(jī)器人結(jié)構(gòu)形式來實(shí)現(xiàn)藥物的投放，并利用薄膜材料，研制進(jìn)行了相應(yīng)的原理樣機(jī)，開展了初步的實(shí)驗(yàn)。文[4]設(shè)計(jì)了多關(guān)節(jié)軟體機(jī)器人，每個(gè)關(guān)節(jié)采用以電流變液驅(qū)動(dòng)元件，通過電流控制電流變液來實(shí)現(xiàn)蠕動(dòng)，關(guān)節(jié)之間通過微閥連接。Obaji[ 5 ]設(shè)計(jì)了一個(gè)具有五指機(jī)械手，采用形狀記憶合金作為驅(qū)動(dòng)元件，來控制握手的大小形狀實(shí)現(xiàn)了對(duì)水杯，圓球等物體的抓取。文[6]對(duì)目前軟體機(jī)器人的發(fā)展進(jìn)行了總結(jié)，并指出目前軟體機(jī)器人的研究重點(diǎn)集中在結(jié)構(gòu)構(gòu)型的設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)方式上。

本文提出了一種采用氣體驅(qū)動(dòng)能夠?qū)崿F(xiàn)四足行走的軟體機(jī)器人，并詳細(xì)給出了其制備過程。通過針管輸送氣體，實(shí)驗(yàn)表面給四足不同氣壓驅(qū)動(dòng)可實(shí)驗(yàn)軟體機(jī)器人平面內(nèi)直線移動(dòng)。

一、四足軟體機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

總體結(jié)構(gòu)：軟體機(jī)器人的形態(tài)結(jié)構(gòu)往往決定了這種機(jī)器人所能運(yùn)動(dòng)的范圍和運(yùn)動(dòng)的情況。

本文提出的軟體機(jī)器人如圖1所示：

該軟體機(jī)器人由軀干、支腿和氣管組成，其中軀干內(nèi)部由一格一格的氣室組成，如圖2所示。這些氣室的主要作用是儲(chǔ)存氣體驅(qū)動(dòng)，幫助軟體機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。腿部是通過氣體實(shí)現(xiàn)彎曲來驅(qū)動(dòng)軟體機(jī)器人行走。氣管則是驅(qū)動(dòng)氣體輸入的通道，用以傳輸軟體機(jī)器人所需的能量。

二、軟體機(jī)器人的制備

（一）模具制備

本次軟體機(jī)器人制備采用了3D打印技術(shù)，包含了壓層，灌膠等制作步。先通過soilworks軟件來制作模具，描出各個(gè)部分具體的尺寸，并通過3D打印得出事物。在solidworks中制作的模型如下圖所示：

打印之后的實(shí)物圖如下圖所示：

（二）灌壓

本次軟體機(jī)器人采用環(huán)氧樹脂A、B橡膠，制備步驟如下

步驟1： 先講A，B膠混合，用玻璃棒攪拌均勻倒入事先打印好的上表皮模具和下表皮模具2中。

步驟2：等晾干后，將兩個(gè)模具取出，可以得到兩個(gè)部件，并將氣管貫穿在其中并排布好并用環(huán)氧樹脂用AB膠將兩個(gè)模具粘連在一起。

（三）氣體驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

為了讓軟體機(jī)器人可以靈活的運(yùn)動(dòng)，本文選擇的驅(qū)動(dòng)方法是運(yùn)用物理針管打氣進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。由于在設(shè)計(jì)的時(shí)候?qū)⑾卤砻嬖O(shè)計(jì)的比上表面設(shè)計(jì)的要厚很多，當(dāng)輸入氣壓大于一定時(shí)，上表面會(huì)鼓起，如圖5所示。支腿產(chǎn)生彎曲，使得物體運(yùn)動(dòng)。只要通過控制軀干和四肢產(chǎn)生彎曲的前后順序，即可實(shí)現(xiàn)軟體機(jī)器人行走。

三、實(shí)驗(yàn)

本次實(shí)驗(yàn)是采用5針管分別給四肢和軀干輸送氣體，來實(shí)現(xiàn)軟體機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。如果要讓軟體機(jī)器人前行，需要首先在軀干處打起，撐起整個(gè)身體。

其次，在軀干不斷氣的情況下，先支腿B后支腿c充氣，然后再先支腿D后支腿E充氣（具體如圖6所示），這樣就可以實(shí)現(xiàn)軟體機(jī)器人向前運(yùn)動(dòng)。

在軀干不斷氣情況下，反復(fù)上述充氣步驟，則可實(shí)驗(yàn)該軟體機(jī)器人連續(xù)向前。其中圖7表示在反復(fù)進(jìn)行上述步驟，該軟體機(jī)器人從紙卷一端運(yùn)動(dòng)另一端的情況。

如果需要向后運(yùn)動(dòng)，則只用將上述步驟反過來即可。先給軟體機(jī)器人的D，E腳打氣，其次是A，B。

參考文獻(xiàn)：

[1] Kyu-Jin Cho， Je-Sung Koh， Sangwoo Kim， Won-Shik Chu，Yongtaek Hong and Sung-Hoon Ahn，Review of Manufacturing Processes for soft biomimetic robots， International Journal of Precisionengineering and Manufacturing，2009，Vol.10（3）：171-181.

[2] Yong Du， Min Xu， Erbao Dong， Qing Yan， Shiwu Zhang， Jie Yang， Preliminary research of a novel soft robot with three locomotion modes， Proceeding of the 2011 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation August， Beijing， Cfhina，7-10.

[3] II-Kyun Jung， SunLim， An etherCAT based real-time centralized soft robot motion controller，2012 International Symposium on Instrumentation & Measurement，Sensor Network and Automation：117-120.

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[5] Michael. O. Obaji and Shiwu Zhang， Investigation into the force distribution mechanism of a soft robot gripper modeled for picking complex objects using embedded shape memory alloy actuators，21013 6th IEEE Conference of Robotics，Automation and Mechatronics， 84-90.

[6] 曹玉君，尚建忠，梁科山，范大鵬，馬東璽，唐力.軟體機(jī)器人研究現(xiàn)狀綜述.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2012，Vol.48（3）：25-33.