軟體機(jī)器人流體驅(qū)動(dòng)方式綜述

趙宇豪， 趙 慧， 譚代彬

(1.武漢科技大學(xué) 機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院， 湖北 武漢 430081; 2.武漢科技大學(xué) 機(jī)器人與智能系統(tǒng)研究院， 湖北 武漢 430081)

引言

軟體機(jī)器人近年來(lái)一直是機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1-3]，同時(shí)軟體機(jī)器人也是一個(gè)多學(xué)科交叉的研究，涉及仿生學(xué)、機(jī)器人學(xué)、軟材料學(xué)以及控制等學(xué)科，隨著仿生技術(shù)、新型柔性材料、柔性傳感器、3D打印等技術(shù)的快速發(fā)展，促進(jìn)軟體機(jī)器人不斷走向成熟。

與傳統(tǒng)剛性機(jī)器人相比，雖然很多工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)可以代替人完成大部分的生產(chǎn)工作，但是在人-機(jī)-環(huán)境交互方面還存在一些問(wèn)題。軟體機(jī)器人由于在材料上采用了硅橡膠等柔性材料，所以其界面友好，在人-機(jī)-環(huán)境交互上更加安全。

軟體機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式可分為流體驅(qū)動(dòng)[4]、線驅(qū)動(dòng)[5]、形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)[6-7]、電活性驅(qū)動(dòng)[8-9]等；流體驅(qū)動(dòng)是通過(guò)對(duì)一定形狀的彈性腔施加正負(fù)壓的流體從而產(chǎn)生變形與運(yùn)動(dòng)，其中流體可以是氣體、液體或微流體，并且通過(guò)改變其結(jié)構(gòu)產(chǎn)生具有伸長(zhǎng)、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、彎曲+扭轉(zhuǎn)等多種運(yùn)動(dòng)形式的驅(qū)動(dòng)器，并且根據(jù)這些驅(qū)動(dòng)器研制了許多類型的軟體機(jī)器人，例如爬行軟體機(jī)器人[10-11]、抓取軟體機(jī)器人[12-14]、水下軟體機(jī)器人[15-16]、跳躍軟體機(jī)器人[17]等。目前，流體驅(qū)動(dòng)因其形式多樣性、響應(yīng)快速性等被廣泛研究，并且在探索、抓取、醫(yī)療、養(yǎng)老助殘等多個(gè)領(lǐng)域取得了一些進(jìn)展，如哈佛大學(xué)研制的世界第一個(gè)完全自主運(yùn)動(dòng)的軟體章魚(yú)機(jī)器人Octobot[18]、可穿戴的輔助假肢[19]、輔助康復(fù)手套[20]等。

本研究綜述了目前軟體機(jī)器人流體驅(qū)動(dòng)方式的類型及其優(yōu)缺點(diǎn)，同時(shí)介紹了其制作方法，分析探討了流體驅(qū)動(dòng)目前存在的一些問(wèn)題以及流體驅(qū)動(dòng)的未來(lái)發(fā)展方向。

1 軟體機(jī)器人研究現(xiàn)狀

1991年，SUZUMORI K等[21]設(shè)計(jì)了三自由度的FMA(Flexible Micro-actuator)，并且基于FMA研制了四指手[22]，該軟體手具有多個(gè)自由度，如圖1a所示。2010年BROWN E等[23]研制了一種卡壓式的抓手VERSABALL，如圖1b所示，可以被動(dòng)地適應(yīng)目標(biāo)物體的形狀，通過(guò)塞入剛性顆粒，調(diào)節(jié)膜內(nèi)的氣壓，卡壓夾具可以迅速變軟或者變硬，以抓住不同大小和形狀的物體，并且帝國(guó)機(jī)器人公司已將這種卡壓式抓手商業(yè)化。2011年ILIEVSKI F等[24]研制了一種基于氣動(dòng)網(wǎng)格的軟體手，如圖1c所示，可以抓起直徑10 cm、重300 g的物體。2014年TOLLEY M T等[10]研制了一種基于氣動(dòng)網(wǎng)格并且完全自主移動(dòng)的四足軟體機(jī)器人，如圖1d所示，采用硅樹(shù)脂制作，能適應(yīng)各種環(huán)境，被暴露在火中以及被汽車碾壓都能安然無(wú)恙；同年，TOLLEY M T等[17]還基于氣動(dòng)網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)研制了一款自主跳躍軟體機(jī)器人，如圖1e所示，其運(yùn)動(dòng)原理是通過(guò)內(nèi)燃爆炸產(chǎn)生高壓氣體使其彈性腔膨脹，再通過(guò)放氣實(shí)現(xiàn)跳躍。2017年WEN Li[25]研制的OctopusGripper仿生象鼻助手，如圖1f所示，OctopusGripper能夠?qū)Σ煌螒B(tài)、不同大小的物體進(jìn)行穩(wěn)定、無(wú)損的抓持，并且在工業(yè)制造、醫(yī)療、康復(fù)等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用前景。ONAL C D等[26]設(shè)計(jì)制作了一種滾動(dòng)式軟體機(jī)器人，如圖1g所示，該機(jī)器人是由6個(gè)等間距的彎曲流體彈性驅(qū)動(dòng)器組成，平行于圓柱體表面，在充氣時(shí)彎曲并施加扭矩，推動(dòng)身體向前滾動(dòng)。2018年KATZSCHMANN R K 等[16]設(shè)計(jì)了一款液壓驅(qū)動(dòng)的軟體魚(yú)，如圖1h所示，其魚(yú)尾是1個(gè)錐形雙向的網(wǎng)格，并且軟體魚(yú)的頂端安裝了1個(gè)攝像頭，使?jié)撍畣T可以遠(yuǎn)程控制和拍攝海洋生物和環(huán)境，在未來(lái)研究水生生物和探索海底等復(fù)雜未知環(huán)境上有著巨大潛力。

a) 四指軟體手[22] b) 球形軟體夾持器[23] c) 軟體手[24] d) 四足軟體機(jī)器人[10] e) 跳躍軟體機(jī)器人[17] f) OctopusGripper[25] g) 滾動(dòng)式軟體機(jī)器人[26] h) 軟體魚(yú)[16]圖1 流體驅(qū)動(dòng)的軟體機(jī)器人

2 流體驅(qū)動(dòng)類型

按照流體驅(qū)動(dòng)的介質(zhì)類型，將現(xiàn)有流體驅(qū)動(dòng)方式分為氣壓驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)和微流體驅(qū)動(dòng)。

2 .1 氣壓驅(qū)動(dòng)

由于氣體具有重量輕、無(wú)污染和來(lái)源廣的特點(diǎn)，因此氣壓驅(qū)動(dòng)被廣泛研究和應(yīng)用，本研究根據(jù)其結(jié)構(gòu)的不同將其分為纖維編織型、螺旋型、網(wǎng)格型、折紙型和特殊型等。

1) 纖維編織型

纖維編織型主要是將纖維纏繞在彈性腔上面或嵌入其中，這是由于彈性腔在充入氣體的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生縱向和橫向2個(gè)方向上的膨脹，因此需要根據(jù)設(shè)定目標(biāo)來(lái)限制其中一個(gè)方向的膨脹，從而實(shí)現(xiàn)特定而有效的運(yùn)動(dòng)形式，并且通過(guò)改變其纏繞的方式還能夠產(chǎn)生不同的運(yùn)動(dòng)形式。張遠(yuǎn)深等[27]分析了Mickkien氣動(dòng)人工肌肉研究歷程，其結(jié)構(gòu)內(nèi)部主要是一根橡膠管，橡膠管外層是雙螺旋線編織的纖維編織網(wǎng)，兩端由連接件固定，一端連接氣源，另一端連接負(fù)載，當(dāng)對(duì)其充入一定壓力的氣體時(shí)，肌肉收縮產(chǎn)生拉力。

2015年CONNOLLY F等[28]發(fā)現(xiàn)通過(guò)改變纖維角度，可以使驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)多樣的運(yùn)動(dòng)，包括軸向擴(kuò)展、徑向擴(kuò)展和扭轉(zhuǎn)，圖2展示的是具有扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)器，其可以利用模塊化將不同運(yùn)動(dòng)形式的驅(qū)動(dòng)器組合成具有多種運(yùn)動(dòng)形式的軟體驅(qū)動(dòng)器；與改變纖維編織角度不同的是，POLYGERINOS P等[29]利用纖維在不同方向的增強(qiáng)效果，制作了新的彎曲型柔性氣動(dòng)肌肉，如圖

圖2 扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器[28]

圖3 纖維增強(qiáng)型驅(qū)動(dòng)器[29]

3a所示為非受壓狀態(tài)下的纖維增強(qiáng)彎曲驅(qū)動(dòng)器，圖3b所示為受壓狀態(tài)下的彎曲驅(qū)動(dòng)器。

2) 螺旋型

螺旋型結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)器主要是將單個(gè)或多個(gè)氣動(dòng)人工肌肉以螺旋線的形式纏繞而成，與傳統(tǒng)的氣動(dòng)人工肌肉相比，具有高負(fù)載、伸縮率高的特點(diǎn)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)扭轉(zhuǎn)、伸長(zhǎng)的運(yùn)動(dòng)形式。

2017年YAN Jihong等[30-31]提出充氣式螺旋純扭轉(zhuǎn)軟體機(jī)器人模塊，如圖4所示，在圓柱體中心處嵌入只能扭轉(zhuǎn)不能伸長(zhǎng)的限制層，當(dāng)給螺旋形內(nèi)腔充氣時(shí)，螺旋腔產(chǎn)生螺旋伸縮運(yùn)動(dòng)，通過(guò)限制層限制彈性體局部軸向應(yīng)變，實(shí)現(xiàn)局部差應(yīng)變效應(yīng)，將驅(qū)動(dòng)力轉(zhuǎn)換成扭矩，實(shí)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。ROCHE E T等[32]利用軟體氣動(dòng)人工肌肉設(shè)計(jì)了一種可植入的柔性驅(qū)動(dòng)器來(lái)模擬心臟的自然運(yùn)動(dòng)，如圖5所示， 將PAM以螺旋和周向的空間排列，螺旋的氣動(dòng)人工肌肉實(shí)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)功能、周向排列的人工肌肉實(shí)現(xiàn)壓縮功能，可以用來(lái)增強(qiáng)心臟功能受損患者的心肌運(yùn)動(dòng)。

圖4 軟體扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器模塊[30-31]

圖5 可植入的柔性驅(qū)動(dòng)器[32]

3) 網(wǎng)格型

網(wǎng)格型主要由一些固定形狀的腔室線性或圓周陣列而成，通過(guò)其型腔之間相互擠壓而產(chǎn)生彎曲和伸縮的運(yùn)動(dòng)，其腔室截面有三角形、梯形、U形、方形等。UDUPA G等[33]發(fā)現(xiàn)方形的伸長(zhǎng)率最大，為70%，而三角形的伸長(zhǎng)率最小，只有26%；POLYGERINOS P等[34]根據(jù)方形氣動(dòng)網(wǎng)格設(shè)計(jì)了PneuNet驅(qū)動(dòng)器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)由多個(gè)方形體的腔室線性排列構(gòu)成，底部含有限制層，通過(guò)對(duì)彈性腔充入氣體，驅(qū)動(dòng)器一側(cè)受彈性腔膨脹擠壓變形伸長(zhǎng)，另一側(cè)受限制層不伸長(zhǎng)，從而產(chǎn)生彎曲運(yùn)動(dòng)。

2015年P(guān)EELE B N等[35]利用3D打印的雙向彎曲柔性驅(qū)動(dòng)器，如圖6所示，該結(jié)構(gòu)由PneuNet對(duì)稱組合構(gòu)成，具有2個(gè)自由度。同樣的還有德國(guó)Festo公司設(shè)計(jì)的“仿生象鼻操作助手” BHA[36-38]，如圖7所示，該仿生象鼻助手的柔性臂由3個(gè)并聯(lián)的氣動(dòng)網(wǎng)格驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成，可以實(shí)現(xiàn)全向彎曲。

圖6 雙向彎曲驅(qū)動(dòng)器[35]

圖7 仿生象鼻助手[37]

2018年WANG Tianyu等[39]通過(guò)重新調(diào)整單個(gè)氣動(dòng)網(wǎng)格的腔室角度，設(shè)計(jì)了一種新的能夠大范圍耦合彎曲和扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)器，如圖8a所示，并且通過(guò)計(jì)算不同內(nèi)部壓力下斜腔作動(dòng)器的彎曲和扭轉(zhuǎn)角，發(fā)現(xiàn)隨著腔室角度的增大，其彎曲能力減小，扭轉(zhuǎn)能力增大；該驅(qū)動(dòng)器還可以抓取管子、圓柱體、剪刀、乒乓球等物品。抓取剪刀如圖8b所示。

圖8 彎曲扭轉(zhuǎn)耦合驅(qū)動(dòng)器[39]

4) 折紙型

折紙型氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)靈感來(lái)源于折紙，與一般折紙機(jī)器人[40]不同的是，其需要由氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)。折紙?zhí)N含數(shù)學(xué)運(yùn)算和空間幾何原理，并以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)可塑性和穩(wěn)定性吸引了許多研究者。根據(jù)折紙圖案可以將這些折紙型氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器分為Waterbomb式[41]、Yoshimura式[42]、Miura-ori式[43-44]、Square-twist式[45-46]等。

水雷(Waterbomb)圖案[47-48]是一種傳統(tǒng)的折紙圖案，主要有兩種類型，分別為八折痕水雷和六折痕水雷，如圖9a、圖9b所示，實(shí)線表示凸折線，虛線表示凹折線。八折痕水雷圖案外形為正方形，由圍繞中心頂點(diǎn)交替的4個(gè)凸折線和4個(gè)凹折線組成；六折痕水雷圖案則由正方形上面圍繞中心頂點(diǎn)的2個(gè)凸折線和4個(gè)凹折線組成，立體效果如圖9c所示。2019年LI Shuguang等[41]研制了一個(gè)基于折紙負(fù)壓驅(qū)動(dòng)的軟機(jī)器人夾持器，如圖10a所示；其中骨架結(jié)構(gòu)來(lái)自折紙“魔術(shù)球”，如圖10b所示。折紙“魔術(shù)球”是由一張長(zhǎng)方形的紙折疊而成，紙上有重復(fù)的水雷圖案，每隔一行就用一個(gè)半的位來(lái)抵消，如圖10c、圖10d為夾持器的不同角度，可以抓起各種各樣的物體，包括食物、重瓶子等。

圖9 水雷圖案[48]

圖10 基于折紙負(fù)壓驅(qū)動(dòng)的軟機(jī)器人夾持器[41]

5) 特殊型

除了以上的幾種類型之外，還有一些特殊的結(jié)構(gòu)類型，例如2017年HAWKES E W等[49]研發(fā)了一款新的軟體機(jī)器人Vine-link Robot，如圖11a所示，該軟體機(jī)器人采用聚乙烯薄膜，分為2個(gè)氣腔，在尖端安裝有攝像機(jī)，對(duì)環(huán)境進(jìn)行視覺(jué)反饋；如圖11b所示，其運(yùn)動(dòng)原理是，由內(nèi)部壓力驅(qū)動(dòng)的薄膜外翻使更多的材料從底部通過(guò)身體的核心拉出，使頂端不斷變長(zhǎng)從而達(dá)到伸長(zhǎng)的目的?？刂齐姶砰y使機(jī)器人身體左側(cè)腔充氣，導(dǎo)致尖端轉(zhuǎn)向右側(cè)，形成右轉(zhuǎn)彎；Vine-link Robot可以舉起100 kg的木箱，能通過(guò)不同的障礙物，并可以抵御高溫火焰。

氣壓驅(qū)動(dòng)的軟體機(jī)器人近年來(lái)被廣泛研究，其結(jié)構(gòu)種類相對(duì)于其他驅(qū)動(dòng)方式更多，并且應(yīng)用于抓取、醫(yī)療、探索等領(lǐng)域。氣壓驅(qū)動(dòng)具有運(yùn)動(dòng)形式多樣、變形量大、人機(jī)交互的安全性好、重量輕和來(lái)源廣等優(yōu)點(diǎn)，但是還存在遲滯性和輸出力相對(duì)較小、控制精度差、需要外接氣源等問(wèn)題。

圖11 Vine-link 機(jī)器人[49]

2.2 液壓驅(qū)動(dòng)

液壓驅(qū)動(dòng)的介質(zhì)可以為液壓油和水，由于液體不可壓縮特性，使得液壓驅(qū)動(dòng)的軟體驅(qū)動(dòng)器響應(yīng)速度快，并且能承受高負(fù)載，例如2008年柯尊榮等[50]提出了一種以純水為介質(zhì)的人工肌肉，結(jié)構(gòu)如圖12所示，其工作壓力為3～5 MPa，是傳統(tǒng)氣壓人工肌肉的6～10倍。但是由于重量大，且氣壓密封相對(duì)比較困難，因此以液體作為介質(zhì)的流體驅(qū)動(dòng)軟體機(jī)器人研究較少，其結(jié)構(gòu)分類和氣壓驅(qū)動(dòng)分類形式一致。

1.法蘭 2.管接螺母 3.密封圈 4.盤(pán)形彈簧 5.內(nèi)部圓錐 6.隔膜軟管 7.純水液壓介質(zhì) 圖12 液壓人工肌肉[50]

1) 纖維編織型

2012年TIWARI R等[51]設(shè)計(jì)了一種液壓人工肌肉，主要結(jié)構(gòu)是由橡膠管、固定件和編織網(wǎng)構(gòu)成，并且將其應(yīng)用在液壓?jiǎn)瓮壬?，如圖13所示。該液壓?jiǎn)瓮鹊捏y關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)分別由1對(duì)液壓人工肌肉的拮抗

圖13 液壓?jiǎn)瓮萚51]

作用來(lái)控制。

2) 網(wǎng)格型

2019年ISHIDA M等[52]研制了一種以液體為介質(zhì)的四足軟體機(jī)器人，如圖14所示，其單足結(jié)構(gòu)由3根波紋管并列組成。當(dāng)向不同的波紋管腔室中施加壓力，彈性腔膨脹變形從而產(chǎn)生彎曲變形，通過(guò)4個(gè)三通電磁閥實(shí)現(xiàn)各條單腿的充壓與排壓，其在靜水下的速度為15 mm/s。

圖14 一種水下行走的軟體機(jī)器人[52]

由于液體介質(zhì)的特殊性，液壓驅(qū)動(dòng)的軟體機(jī)器人更適合在水下進(jìn)行探索和求援等，與氣壓驅(qū)動(dòng)相比較，其響應(yīng)速度更快、輸出力大，而且一般液壓驅(qū)動(dòng)采用純水居多，綠色無(wú)污染。由于其不可壓縮特性，還可以配合特定泵來(lái)搭建循環(huán)回路，進(jìn)而為軟體機(jī)器人長(zhǎng)時(shí)間供能。

2.3 微流體驅(qū)動(dòng)

微流體是在微米尺度或微米尺度空間里的流體，在微觀尺寸下控制、操作和檢查復(fù)雜流體的技術(shù)被稱為微流體技術(shù)，并且廣泛應(yīng)用于生物、醫(yī)療等領(lǐng)域。趙士明等[53]綜述了微流體驅(qū)動(dòng)與其控制系統(tǒng)。本研究所介紹的微流體驅(qū)動(dòng)方式主要是將傳統(tǒng)微流體技術(shù)應(yīng)用在軟體機(jī)器人。

2014年MORIN S A等[54]利用了微流體技術(shù)，研制了具有偽裝功能的軟體四足機(jī)器人，如圖15所示,其結(jié)構(gòu)主要由提供驅(qū)動(dòng)的柔性驅(qū)動(dòng)器和提供變色的彩色層(圖中顯示為白色部分)構(gòu)成。柔性驅(qū)動(dòng)器是獨(dú)立的氣動(dòng)腔室，而彩色層是薄薄的微流體網(wǎng)格。變色原理是通過(guò)對(duì)微流體網(wǎng)格通道注入彩色液體或溫度來(lái)控制軟體機(jī)器人整體的顏色。

圖15 變色的軟體四足機(jī)器人[54]

2016年WEHNER M等[18]研制了世界上第一款完全自主的軟體章魚(yú)機(jī)器人，如圖16所示。通過(guò)微流體技術(shù)研制了微閥與微流體邏輯電路來(lái)控制調(diào)節(jié)流體流動(dòng)，流體是由注射泵注入過(guò)氧化氫溶液在催化劑的作用下產(chǎn)生的氣體，進(jìn)而控制8條腿的驅(qū)動(dòng)和排氣分配，實(shí)現(xiàn)軟體機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。

圖16 章魚(yú)機(jī)器人[18]

微流體驅(qū)動(dòng)可以通過(guò)微閥、微泵和微流體邏輯控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)電子化的軟體機(jī)器人自主運(yùn)動(dòng)[55]，從而可以應(yīng)用于海上油氣等極端環(huán)境中；還可以改變微流體的顏色用于偽裝機(jī)器人，使其更好的融入周圍環(huán)境，來(lái)保護(hù)自己或進(jìn)行探索活動(dòng)；但是微流體驅(qū)動(dòng)具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制作成本高等缺點(diǎn)。表1是關(guān)于流體驅(qū)動(dòng)的各類方式的優(yōu)缺點(diǎn)比較。

表1 流體驅(qū)動(dòng)的各類方式比較

3 制造技術(shù)

傳統(tǒng)剛性機(jī)器人系統(tǒng)的制造方法不適用于柔性材料的制造，隨著快速數(shù)字化設(shè)計(jì)和制造工具的發(fā)展，研究人員利用快速和適應(yīng)性強(qiáng)的制造技術(shù)制造了復(fù)雜的軟體機(jī)器人系統(tǒng)，文獻(xiàn)[56-58]綜述了軟體機(jī)器人的制作工藝。目前，流體驅(qū)動(dòng)的軟體機(jī)器人主要采用了形狀沉積(SDM)、軟光刻、失蠟鑄造、多步成型、3D打印等制作技術(shù)。

圖17是SDM的原理圖[56]，通過(guò)這個(gè)過(guò)程，可以把剛性材料和柔性材料組合成一個(gè)部分，適用于制造具有先進(jìn)功能的柔性機(jī)構(gòu)，如傳感器、電路等，可嵌入軟體機(jī)器人中。

圖17 SDM工藝示意圖[56]

如圖18為軟光刻的制造流程示意圖，其制造流程主要分為三步：

(1) 將液態(tài)的硅橡膠倒入上下模具中；

(2) 固化后取出，并將連接面浸在一層未固化的彈性體中；

(3) 將兩層材料連接在一起固化。

失蠟鑄造可以加工復(fù)雜形狀的內(nèi)部通道由于是一次成型，提高了驅(qū)動(dòng)器整體的性能。以魚(yú)尾制作工藝[57]為例，如圖19所示。其制作過(guò)程：澆注并固化橡膠模具；澆注蠟芯；裝配各模具；將硅橡膠和玻璃泡的混合物倒入尾部模具中，使其固化；用烤箱將固化的魚(yú)尾中蠟芯熔化；利用沸水進(jìn)一步去除剩余的蠟。

圖18 軟光刻工藝示意圖[57]

圖19 失蠟鑄造工藝示意圖[57]

由于纖維編織型的驅(qū)動(dòng)器外表大多纏繞有增強(qiáng)纖維，其本體主要采用的成形方法大多與多步成形工藝[29]類似，制作過(guò)程也包含了傳統(tǒng)的澆筑法[59]，如圖20所示，其制造過(guò)程主要是：通過(guò)3D打印模具并將其澆筑成形；將應(yīng)變限制層附著在執(zhí)行機(jī)構(gòu)的平面上；纏繞纖維增強(qiáng)線；將整個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)放入模具用硅膠密封；用模制的硅膠密封管的一端。

圖20 一種彎曲驅(qū)動(dòng)器的制造[59]

3D打印是一種增材制造(AM)過(guò)程，目前主要的3D打印技術(shù)[60]主要有SLP(Stereo Lithography Plater)、SLS(Selective Laser Sintering)、熔融沉積打印、噴墨打印等，通過(guò)3D打印使軟體機(jī)器人的本體一次成形提高了效率。PEELE B N等[35]利用掩模投影立體光刻(DMP-SL)制造了多自由度的軟體驅(qū)動(dòng)器；MACCURDY R等[61]通過(guò)多材料3D噴墨打印系統(tǒng)，一步完成了液壓驅(qū)動(dòng)六足軟機(jī)器人的制作，包括波紋管執(zhí)行器、軟爪和齒輪泵等零件。

4 分析與討論

隨著軟體機(jī)器人的研究熱度越來(lái)越高，也產(chǎn)生了較豐富的成果，盡管流體驅(qū)動(dòng)被廣泛研究，并且有一部分軟體機(jī)器人已經(jīng)應(yīng)用，但是在材料、制作、建模與控制等方面還存在一定不足，比如在精度、重復(fù)性上都比較差，同時(shí)流體驅(qū)動(dòng)需要笨重的外部設(shè)備供能，靈活性較差。

從流體驅(qū)動(dòng)的軟體機(jī)器人的研究現(xiàn)狀來(lái)看，未來(lái)可以從下面幾個(gè)研究思路入手：

(1) 軟體機(jī)器人的材料多為硅橡膠或Ecoflex系列，流體驅(qū)動(dòng)的軟體機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)主要依靠彈性腔的膨脹或收縮，在實(shí)際應(yīng)用中有可能因?yàn)楣ぷ魅蝿?wù)或環(huán)境導(dǎo)致彈性腔破裂，使軟體機(jī)器人不能正常工作。研究新型的自愈型柔性材料使撕裂和穿孔的彈性驅(qū)動(dòng)器[62-63]可以自修復(fù)，可以大大提高軟體機(jī)器人的性能?，F(xiàn)有傳感器大多都是剛性的，無(wú)法滿足軟體機(jī)器人的需求，通過(guò)嵌入的曲率和接觸柔性傳感器[64]有利于監(jiān)測(cè)軟體機(jī)器人在施加壓力下的變形和提供觸覺(jué)反饋，并且有利于形成閉環(huán)控制。柔性傳感器技術(shù)，目前仍然處于起步階段，研制新型柔性材料和柔性電子元件會(huì)是一個(gè)研究方向；

(2) 國(guó)內(nèi)許多軟體機(jī)器人的制作仍然以哈佛大學(xué)的多步成形、軟光刻等制造工藝為主，其制造工藝過(guò)程中依賴手工制作，容易引起制作效率低、精度低、成品合格率不高等問(wèn)題。通過(guò)3D打印技術(shù)更加高效快捷，減少了上述手工制作帶來(lái)的問(wèn)題，并且也能夠在成形過(guò)程中直接嵌入柔性傳感器，使其具有較高的集成性，因此3D打印會(huì)是其未來(lái)的一個(gè)研究方向；

(3) 軟體機(jī)器人采用了柔性材料，同時(shí)流體驅(qū)動(dòng)的軟體機(jī)器人運(yùn)動(dòng)原理來(lái)源于彈性腔的膨脹或縮小，具有非線性。并且有的軟體機(jī)器人自由度高度冗余，在一些環(huán)境下很容易發(fā)生被動(dòng)形變，難以實(shí)現(xiàn)精確建模與控制。目前，軟機(jī)器人建模主要采用分段常曲率(PCC)[65]、剛性梁理論[66]或有限元分析[67]等方法，但是其模型的精度和準(zhǔn)確性還有待提升，更加準(zhǔn)確的建模方法也是未來(lái)一個(gè)研究方向；

(4) 相比于剛性機(jī)器人，軟體機(jī)器人柔順性更好，人機(jī)交互更加安全，但是軟體機(jī)器人有時(shí)在實(shí)際工作環(huán)境中需要較大的輸出力矩和穩(wěn)定的姿態(tài)，在有些環(huán)境下很容易受到自身重力或外力的影響發(fā)生被動(dòng)形變，因此實(shí)現(xiàn)軟體機(jī)器人的變剛度能力尤為重要。JIANG Yongkang等[68]提出了鏈狀顆粒干擾方式。YANG Yang等[69]提出了層干擾和顆粒阻塞兩種混合的變剛度方式。ZHANG Yuanfang等[70]將形狀記憶合金嵌入氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器中，使驅(qū)動(dòng)器剛度提高了120倍，因此可變剛度也是一個(gè)未來(lái)研究方向；

(5) 一張紙可以根據(jù)折疊的方式被折成許多三維的形狀，而折痕圖規(guī)定了所需的折疊，如何設(shè)計(jì)有效的折痕圖使其能折疊成需要的結(jié)構(gòu)形式，這需要算法來(lái)支持。DEMAINE E D等[71]提出一種算法，使任何多面曲面都可以由足夠大的方形紙折疊而成。由于折紙的可塑性和穩(wěn)定性，將折紙與軟體機(jī)器人結(jié)合的折紙型軟體機(jī)器人將在各領(lǐng)域有很大前景，而新的折紙算法是一個(gè)研究方向；

(6) 與流體驅(qū)動(dòng)依靠流體通道類似，微流體技術(shù)在微觀上構(gòu)建微流體通道系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的微流體操縱功能，通過(guò)微流體技術(shù)可以使未來(lái)的軟體機(jī)器人更加集成化，微型化，并且具有偽裝功能，這可能會(huì)是未來(lái)的一個(gè)研究方向；

(7) 流體驅(qū)動(dòng)的軟體移動(dòng)機(jī)器人大多不能完全自主運(yùn)動(dòng)，需要通過(guò)一根傳輸流體的管帶與之相連接，進(jìn)而為軟體機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)提供能源，并且傳統(tǒng)的氣壓源或液壓源體積較大，大大限制了其自主性和實(shí)際應(yīng)用的普及。有的研究者利用化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氣體來(lái)提供能源[17-18]，KATZSCHMANN R K等[16]設(shè)計(jì)的液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)器魚(yú)，利用齒輪泵來(lái)構(gòu)建了液壓循環(huán)系統(tǒng)，通過(guò)循環(huán)流體裝置，為其制作的軟體機(jī)器魚(yú)長(zhǎng)時(shí)間的提供動(dòng)力。如何設(shè)計(jì)供能裝置從而提高自主性會(huì)是一個(gè)研究方向。

5 結(jié)論

軟體機(jī)器人采用了柔性材料制作，具有較好的柔順性，在人機(jī)交互上更加安全。與其他軟體驅(qū)動(dòng)方式相比，流體驅(qū)動(dòng)的軟體機(jī)器人變形大、反應(yīng)速度快，從而被廣泛的研究。本研究主要針對(duì)軟體機(jī)器人流體驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行了闡述，并且將流體驅(qū)動(dòng)分成氣壓、液壓、為微流體等三大類型，同時(shí)根據(jù)氣壓驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)類型，將其分成纖維編織型、螺旋型、網(wǎng)格型、折紙型和特殊型。介紹了其流體驅(qū)動(dòng)的軟體機(jī)器人的制作方法，通過(guò)對(duì)流體驅(qū)動(dòng)器現(xiàn)狀的分析和討論，得出了未來(lái)的幾個(gè)可能的研究方向：新型柔性材料與柔性電子元件、3D打印、新的建模方法、折紙算法、可變剛度、微流體技術(shù)、供能裝置等。

流體驅(qū)動(dòng)的軟體機(jī)器人在醫(yī)療、探索、抓持等領(lǐng)域都有很好的應(yīng)用前景，無(wú)論是軟體機(jī)器人還是傳統(tǒng)剛性機(jī)器人，其目的都是為了更好地為人類服務(wù)，科學(xué)是不斷進(jìn)步的，隨著材料、3D打印、控制、新能源等多學(xué)科的發(fā)展，未來(lái)流體驅(qū)動(dòng)的一些不足將會(huì)被解決。