軟體機(jī)器人技術(shù)的一些研究新進(jìn)展

滕靈寶

摘 要：生物體憑借著軟體結(jié)構(gòu)的可變性，能高效的完成目標(biāo)。這樣的軟結(jié)構(gòu)啟發(fā)機(jī)器工程師設(shè)計(jì)新型的軟機(jī)器。軟機(jī)器是重要的技術(shù)發(fā)展方向之一，在眾多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，如柔性智能飛行器、關(guān)節(jié)健康恢復(fù)、潮汐發(fā)電裝置等。本文概要介紹了軟體機(jī)器人技術(shù)的一些研究進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：軟機(jī)器;軟體機(jī)器人;聲膜系統(tǒng)共振;建?？蚣?柔性機(jī)械手抓力建模;多模應(yīng)變和曲率傳感器;粒子增強(qiáng)水凝膠

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）14-0218-02

0 引言[1，2]

動(dòng)物利用軟結(jié)構(gòu)的變形性，在復(fù)雜的自然環(huán)境中高效地移動(dòng)。這些軟結(jié)構(gòu)本質(zhì)上是兼容的，并可以承受巨大的壓力，是機(jī)器結(jié)構(gòu)中難以找到的。這些能力激發(fā)了機(jī)器人工程師將軟技術(shù)融入到他們的設(shè)計(jì)中。軟機(jī)器人技術(shù)的一個(gè)目標(biāo)是為機(jī)器人提供新的、受生物啟發(fā)的功能，使機(jī)器人能夠在不可預(yù)知的環(huán)境中進(jìn)行形態(tài)上適應(yīng)性的相互作用。從力學(xué)角度，生物啟發(fā)軟機(jī)器人有三個(gè)關(guān)鍵要素，即材料選擇、驅(qū)動(dòng)和設(shè)計(jì)。軟材料是生物啟發(fā)機(jī)器人安全相互作用和整體驅(qū)動(dòng)的必要條件。軟體機(jī)器人中材料的固有特性允許“體現(xiàn)智能”，從而有可能以剛性機(jī)器人無(wú)法實(shí)現(xiàn)的方式降低機(jī)械和算法的復(fù)雜性。最后，軟體機(jī)器人可以與組織工程和合成生物學(xué)相結(jié)合，創(chuàng)建具有獨(dú)特傳感、動(dòng)態(tài)響應(yīng)和移動(dòng)性的生物混合系統(tǒng)。生物啟發(fā)軟機(jī)器人也有能力加快混合機(jī)器人的進(jìn)化，可以安全地與人類互動(dòng)。

1 基于聲膜系統(tǒng)共振的聲執(zhí)行器在軟機(jī)器人驅(qū)動(dòng)中的應(yīng)用[3]

LangquanShui等人研究了聲場(chǎng)與軟膜的耦合，并將其應(yīng)用于軟機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)中。首先，他們對(duì)聲膜耦合系統(tǒng)的固有頻率和模態(tài)進(jìn)行了理論和數(shù)值計(jì)算。然后利用格林函數(shù)法得到了聲膜耦合場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)解。通過(guò)在聲學(xué)系統(tǒng)諧振狀態(tài)下驅(qū)動(dòng)駐波或行波，他們提出了兩種用于軟機(jī)器人的聲學(xué)驅(qū)動(dòng)方法。通過(guò)理論分析和數(shù)值模擬，表明采用兩種驅(qū)動(dòng)方法的軟機(jī)器人由于聲膜耦合系統(tǒng)的諧振工作狀態(tài)，與其他類型的軟機(jī)器人相比，如游泳、滑行或四足步態(tài)機(jī)器人，具有較好的動(dòng)力學(xué)和能量性能。LangquanShui等人提出的聲學(xué)驅(qū)動(dòng)機(jī)制有望應(yīng)用于許多類需要波狀變形的移動(dòng)軟機(jī)器人。此外，由于軟體機(jī)器人體內(nèi)的聲波傳播，使用本地聲源（如內(nèi)置揚(yáng)聲器）可以很容易地實(shí)現(xiàn)某些類型的軟體機(jī)器人所需的波形變形，這可能會(huì)大大簡(jiǎn)化復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)或控制系統(tǒng)。

2 軟機(jī)器人系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)計(jì)和建?？蚣躘4]

預(yù)計(jì)混合機(jī)器人的引入將對(duì)工業(yè)組裝產(chǎn)生積極影響。在這方面，新一代的機(jī)器人可以在碰撞中變形和屈服，從而危害較小，這似乎是對(duì)傳統(tǒng)剛性鏈接機(jī)器人的一種很有希望的補(bǔ)充。最近，所謂的軟機(jī)器人受到了極大的關(guān)注，開始展現(xiàn)出它們?cè)诠I(yè)自動(dòng)化方面的潛力。為了驗(yàn)證該方法的有效性，需要對(duì)軟執(zhí)行器進(jìn)行設(shè)計(jì)、建模和測(cè)試。GundulaRunge等提出了一種將有限元分析、連續(xù)機(jī)器人建模和機(jī)器學(xué)習(xí)有效地結(jié)合起來(lái)的軟機(jī)器人設(shè)計(jì)和建模工具的框架。

3 變剛度柔性機(jī)械手抓取力的建模[5]

HaibinYin等人提出了一種變剛度軟機(jī)器人抓手的抓力模型。軟機(jī)器人抓手由形狀記憶合金（SMAs）制成，具有收縮和變剛度的特性。然而，其主干的響應(yīng)特性在受重力、抓力和驅(qū)動(dòng)扭矩等復(fù)雜力時(shí)，不符合恒曲模型。在這種情況下，Cosserat理論被用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)受到復(fù)雜力的軟機(jī)器人抓手的抓取力的實(shí)時(shí)計(jì)算。最后，我們對(duì)軟手指和抓手的抓握力進(jìn)行了一系列測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)SMA-2線的楊氏模量從25 GPa增加到48 GPa時(shí)，軟機(jī)器人抓手的抓取力增加了48.7%。

4 一種超彈性材料的軟機(jī)器人表面的設(shè)計(jì)與建模[6]

雖然大多數(shù)現(xiàn)有的軟機(jī)器人都有觸角狀的形態(tài)，但Lisha Chen等人將軟機(jī)器人的形態(tài)從曲線延伸到表面。他們利用超彈性硅膠材料制作機(jī)器人表面，并通過(guò)沿邊緣嵌入的兩個(gè)氣動(dòng)軟彎曲執(zhí)行器，可以主動(dòng)控制其形態(tài)和變形。他們分別利用虛擬工作原理和彈性板理論建立了嵌入式執(zhí)行器和表面結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型，并將輸入壓力和外力與柔軟表面變形聯(lián)系起來(lái)。完整的模型是在機(jī)器人原型的實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證的，在這種原型中，在許多驅(qū)動(dòng)級(jí)別上，誤差在表面?zhèn)乳L(zhǎng)的5%以內(nèi)。

5 適用于軟機(jī)器人應(yīng)用的多模應(yīng)變和曲率傳感器[7]

Edward L.White等研究人員介紹了基于彈性體的傳感器的制造和測(cè)試，這些傳感器能夠測(cè)量單軸應(yīng)變和曲率。這些傳感器是由Sylgard 184制成的，這是一種透明的有機(jī)硅彈性體。Edward L.White等直接在有機(jī)硅彈性體基板中創(chuàng)建微通道，使用激光來(lái)燒蝕材料。傳感元件是鎵和銦的合金，在室溫下是液體，包含在激光產(chǎn)生的微通道中。當(dāng)基板變形時(shí)，微通道內(nèi)部變形，導(dǎo)致電阻發(fā)生可測(cè)量的變化。通過(guò)在傳感器的對(duì)立面上制造兩個(gè)匹配的電阻應(yīng)變傳感元件，他們分別通過(guò)觀察電阻的共同模式和微分模式的變化，可以清楚地測(cè)量單軸應(yīng)變和曲率。模式之間的耦合很少，說(shuō)明了不同傳感器設(shè)計(jì)的效用。Edward L.White等人從傳感器對(duì)應(yīng)變和曲率的響應(yīng)、噪聲以及隨著時(shí)間的推移的穩(wěn)定性來(lái)描述傳感器的特征。他們相信這種類型的傳感器在軟感官皮膚中有應(yīng)用，可以觀察到軟機(jī)器人系統(tǒng)的姿勢(shì)。

6 粒子增強(qiáng)和功能化的水凝膠用于軟體機(jī)器人的制作[8]

SpineMan是Tobias Preller等人提出的一種軟體機(jī)器人的原型，它由類似于人類脊柱的硬和軟段交替構(gòu)成。實(shí)現(xiàn)這樣的軟段可以超越傳統(tǒng)機(jī)器人的剛性，并確保更安全的工作空間，使人和機(jī)器可以在安全限制較低的情況下并排工作。他們使用水凝膠作為粘彈性材料，由聚乙烯醇和硼砂組成，通過(guò)包埋各種顆粒尺寸的二氧化硅顆粒以及不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)來(lái)定制水凝膠的機(jī)械性能。與純水凝膠相比，隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加以及顆粒尺寸的增大，復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量提高了一倍以上。此外，超順磁性Fe3O4納米粒子的加入還能產(chǎn)生特定的功能，在原則上可用于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的感知和故障檢測(cè)，通過(guò)確定納米粒子的質(zhì)量含量，精確地調(diào)整軟段的飽和磁化強(qiáng)度。為了保證復(fù)合材料的長(zhǎng)時(shí)間形狀穩(wěn)定性和防止大氣對(duì)復(fù)合材料的影響，采用了具有“邵氏硬度”（Shore Hardness）的硅橡膠皮。通過(guò)振動(dòng)測(cè)試、冷掃描電鏡（cryo-SEM）、彎曲試驗(yàn)和SQUID測(cè)試，對(duì)復(fù)合材料和軟段進(jìn)行了表征，從而深入了解了SpineMan處于被動(dòng)狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的性能。

7 結(jié)語(yǔ)

軟體機(jī)器人是未來(lái)研究的一個(gè)重要方向，具有廣闊的應(yīng)用前景。本文對(duì)軟體機(jī)器人技術(shù)的一些研究新進(jìn)展進(jìn)行了概述。近年來(lái)，在適用于軟機(jī)器人應(yīng)用的多模應(yīng)變和曲率傳感器、基于聲膜系統(tǒng)共振的聲執(zhí)行器在軟機(jī)器人驅(qū)動(dòng)中的應(yīng)用、軟機(jī)器人系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)計(jì)和建?？蚣堋⒆儎偠溶洐C(jī)器人抓手抓握力的建模、超彈性材料的軟機(jī)器人表面的設(shè)計(jì)與建模、粒子增強(qiáng)和功能化的水凝膠用于軟體機(jī)器人的制作等領(lǐng)域都取得了新的研究成果。

參考文獻(xiàn)

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