具有非對稱褶皺結(jié)構(gòu)的自生長軟體機(jī)器人設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)特性

孟軍輝， 馬諾， 胡睿， 金澤華， 李文光， 劉莉

(北京理工大學(xué) 宇航學(xué)院, 北京 100081)

0 引言

在城市環(huán)境作戰(zhàn)中，廢墟縫隙往往是連接建筑與外界僅有的通路，對此類空間的利用將對作戰(zhàn)與救援行動(dòng)的效率具有顯著的積極意義。然而，由于此類通路具有尺寸細(xì)長狹窄、結(jié)構(gòu)曲折復(fù)雜、環(huán)境惡劣多變等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的偵查感知設(shè)備往往受限于體積和運(yùn)動(dòng)模式，難以迅速有效地進(jìn)入及通過，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對建筑、掩體內(nèi)部敵軍的探測與打擊。針對狹窄曲折空間的利用問題，國內(nèi)外針對一些小型機(jī)器人系統(tǒng)開展了相應(yīng)的研究[1-4]。傳統(tǒng)剛性機(jī)器人通常由剛性模塊通過運(yùn)動(dòng)副連接構(gòu)成，通過有限的自由度實(shí)現(xiàn)模塊間或模塊與環(huán)境空間位置的相對運(yùn)動(dòng)。此類機(jī)器人傳動(dòng)精確、承載能力強(qiáng)、技術(shù)成熟，但剛硬復(fù)雜的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其環(huán)境適應(yīng)性較差，無法通過小于機(jī)器人特征尺寸或曲折復(fù)雜的通道[5]。隨著機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展，具有更加優(yōu)異仿生性能的軟體機(jī)器人逐漸成為現(xiàn)階段的研究熱點(diǎn)之一。軟體機(jī)器人由可連續(xù)變形的柔性材料制成，可在更大范圍內(nèi)改變自身形狀和尺寸，驅(qū)動(dòng)其末端執(zhí)行器到達(dá)工作空間內(nèi)的任意位置。

現(xiàn)有軟體機(jī)器人的行進(jìn)主要通過多足行走或蠕動(dòng)爬行的方式實(shí)現(xiàn)。如Tolley等[6]研制的氣壓驅(qū)動(dòng)軟體機(jī)器人采用四足步態(tài)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，完全柔性的結(jié)構(gòu)使其可承受高強(qiáng)度的碾壓；Onal等[7]研制的仿生蛇軟體機(jī)器人通過表面非均勻的摩擦力與波狀蠕動(dòng)協(xié)調(diào)前進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了較高的速度；Sangok等[8]研制的形狀記憶合金(SMA)驅(qū)動(dòng)仿蠕蟲軟體機(jī)器人，采用波狀傳遞收縮與延伸的方式向前蠕動(dòng)。此類運(yùn)動(dòng)方式對于復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)具備初步意義，但本質(zhì)上仍依靠機(jī)器人局部與環(huán)境的交替接觸與分離實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，在實(shí)際應(yīng)用中存在一定的限制。另一方面，受限于微電子和能源等相關(guān)技術(shù)，采用無線信號傳輸方案的機(jī)器人活動(dòng)范圍與續(xù)航能力都較為有限，難以投入實(shí)際工程應(yīng)用，而有線方案需考慮線纜受環(huán)境的影響等諸多衍生問題[6]。因此，需要針對軟體機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)原理與能源、信號供給方案開展更為深入的研究。

受藤蔓等植物尖端生長的啟發(fā)，Mishima等[9]設(shè)計(jì)了一種充氣自生長軟體機(jī)器人方案，其運(yùn)動(dòng)模塊為一條管狀薄膜囊體，通過充氣外翻生長運(yùn)動(dòng)，能夠有效通過尺寸顯著小于自身直徑的狹窄縫隙、曲折管道。該方案通過線纜傳遞能源與信號，相較于傳統(tǒng)無線機(jī)器人，在續(xù)航與抗干擾能力上有顯著優(yōu)勢，且線纜包覆于囊體之內(nèi)，能夠有效保護(hù)線纜并動(dòng)態(tài)匹配運(yùn)動(dòng)模塊。在該方案的基礎(chǔ)上，國內(nèi)外一些學(xué)者開展了相關(guān)研究以探索此類結(jié)構(gòu)的應(yīng)用價(jià)值，如內(nèi)窺鏡[10]、天線支撐結(jié)構(gòu)[11]、干砂土挖掘[12]、抓握裝置[13]等。該類軟體機(jī)器人具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，但薄膜材料高度的柔性導(dǎo)致傳統(tǒng)的柔性結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)方案難以適用，在保持充氣軟體結(jié)構(gòu)快速生長、高度的縫隙滲透等能力的前提下，高精度、可逆的大角度方向主動(dòng)控制方案設(shè)計(jì)仍存在一定挑戰(zhàn)。

針對自生長軟體機(jī)器人的主動(dòng)轉(zhuǎn)向問題，現(xiàn)有研究大致可分為兩類：

第1類為釋放型方案，該方案將壓力囊體沿軸向分為若干單元，每個(gè)單元內(nèi)設(shè)置約束性機(jī)構(gòu)或結(jié)構(gòu)，在其展開前軸向長度小于囊體，通過在轉(zhuǎn)向的相反側(cè)放開囊體形成長度差，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。如Hawkes等[14]提出了采用剛性鎖閂的轉(zhuǎn)向方案，通過控制鎖閂的非對稱展開形成對一側(cè)的約束，從而實(shí)現(xiàn)較大角度的轉(zhuǎn)向，如圖1所示。該方案中剛性部件的引入將對其狹窄縫隙的通過能力形成限制，已展開的鎖閂無法再次閉合，發(fā)生轉(zhuǎn)向的部位也無法再次改變方向[15]。Cinquemani等[16]提出采用張線約束囊體，切斷絲線以形成長度差的主動(dòng)轉(zhuǎn)向方案，如圖2所示。為避免切割模塊損傷囊體，張線被布置于囊體外側(cè)，而這一布局需要囊體尖端的切割模塊徑向超過囊體，同樣導(dǎo)致其難以穿越小于自身直徑的狹小縫隙。此外，切割的有效性難以保障，進(jìn)一步造成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)能力的損失。由于單元上的機(jī)構(gòu)展開尺度確定，釋放型方案利于實(shí)現(xiàn)通過較小的轉(zhuǎn)向半徑精確實(shí)現(xiàn)較大的轉(zhuǎn)向角度。然而機(jī)構(gòu)與輔助設(shè)備多需選用剛性結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的釋放模式，將不可避免地與自生長軟體機(jī)器人壓縮自身直徑以滲透穿越狹小縫隙的功能相沖突。此外，該方案往往在相同位置僅能展開一次，無法恢復(fù)約束狀態(tài)反復(fù)使用，即控制的可逆性較差。

圖1 剛性鎖閂轉(zhuǎn)向方案原理示意[10]Fig.1 Schematic of the rigid latch control scheme[10]

圖2 張線轉(zhuǎn)向方案原理示意[16]Fig.2 Schematic of the rigging control scheme[16]

第2類為引曳型方案，通過在壓力囊體周向布置連續(xù)的伸縮作動(dòng)器，引曳轉(zhuǎn)向側(cè)囊體形成長度差。如Joseph等[15]與Ozkan-Aydin等[17]則提出了在壓力囊體外黏附氣壓驅(qū)動(dòng)人工肌肉的轉(zhuǎn)向方案，通過驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向側(cè)的人工肌肉收縮引曳壓力囊體，如圖3所示。氣壓人工肌肉作動(dòng)時(shí)存在較嚴(yán)重的幾何非線性，同時(shí)長度損失導(dǎo)致的誤差將隨壓力囊體的生長累加[18]，不適合在長距離任務(wù)中采用。李沫寧等[19]出于相似的原理提出采用多腔室非對稱充壓的轉(zhuǎn)向方案，將壓力囊體獨(dú)立出多個(gè)方向控制腔室，通過對獨(dú)立腔室充壓改變囊體的整體形態(tài)。其展示的仿真與試驗(yàn)結(jié)果均表明該方案所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角較為有限，難以服務(wù)于工程實(shí)際。引曳型方案多采用與壓力囊體性質(zhì)相近的薄膜材料作動(dòng)器，避免了對機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能的影響，亦具有良好的可逆性。由于此類柔性作動(dòng)器的最大行程往往受到非驅(qū)動(dòng)方向的特征尺寸限制，難以在有限的空間內(nèi)形成較大的偏轉(zhuǎn)角度。同時(shí)作動(dòng)器行程與驅(qū)動(dòng)信號存在較強(qiáng)的非線性關(guān)系，亦對機(jī)器人的精確控制提出了較高的要求。

圖3 人工肌肉轉(zhuǎn)向方案原理示意[11]Fig.3 Schematic of the artificial muscle control scheme[11]

總體而言，在保持充氣自生長軟體機(jī)器人充氣迅速生長、壓縮直徑滲透穿越狹小縫隙等性能的前提下，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、大角度且多次可逆的主動(dòng)方向控制技術(shù)仍是此類機(jī)器人實(shí)用化所需面對的主要難題之一。為了進(jìn)一步提高自生長軟體機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力，本文基于對軟甲亞綱動(dòng)物腹節(jié)的模仿，將非對稱褶皺和周向分布式氣囊設(shè)計(jì)與自生長軟體機(jī)器人設(shè)計(jì)相結(jié)合，有效實(shí)現(xiàn)了對自生長軟體機(jī)器人的主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制。在此基礎(chǔ)上，完成了自生長軟體機(jī)器人設(shè)計(jì)，并構(gòu)建了與之對應(yīng)的數(shù)學(xué)與有限元運(yùn)動(dòng)模型。經(jīng)仿真與試驗(yàn)證明，該方案能夠有效地實(shí)現(xiàn)對自生長軟體機(jī)器人轉(zhuǎn)向的較高精度可逆主動(dòng)方向控制。本文工作為此類軟體機(jī)器人的主動(dòng)轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)提供了新的方案，對其后續(xù)的發(fā)展具有一定的積極意義，并給出軟體機(jī)器人利用狹窄縫隙空間對內(nèi)部敵人輔助監(jiān)視打擊的新思路。

1 自生長軟體機(jī)器人設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

采用硅橡膠等柔性材料的軟體機(jī)器人多數(shù)通過氣壓、液壓或智能材料驅(qū)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)蠕動(dòng)、爬行或游動(dòng)等運(yùn)動(dòng)形式[20-23]。從運(yùn)動(dòng)原理上，此類軟體機(jī)器人仍依靠機(jī)器人局部與環(huán)境的交替接觸和分離實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，因此對于砂石瓦礫、沼澤等復(fù)雜環(huán)境介質(zhì)適應(yīng)性較差。而從結(jié)構(gòu)性質(zhì)上，完全剛硬的機(jī)器人無法通過小于自身特征尺寸的縫隙或通道，而完全柔軟的結(jié)構(gòu)受重力等因素的影響，也難以通過溝壑、墻壁等顯著大于自身特征尺寸的環(huán)境障礙，如圖4所示。如何將機(jī)器人“剛性”和“柔性”有效結(jié)合，通過結(jié)構(gòu)和材料設(shè)計(jì)有效提升機(jī)器人直行和轉(zhuǎn)向能力，并增強(qiáng)其環(huán)境適應(yīng)性，日益成為軟體機(jī)器人的設(shè)計(jì)重點(diǎn)[24-25]。

圖4 結(jié)構(gòu)性質(zhì)單一的機(jī)器人局限性示意Fig.4 Limitations for robots with single structural properties

自然界中藤蔓等植物組織通過尖端生長實(shí)現(xiàn)整體長度的延伸，已展開組織與環(huán)境相對靜止，尖端持續(xù)生長的運(yùn)動(dòng)模式使其始終保持組織的展開狀態(tài)與環(huán)境特征靜態(tài)匹配，受到的剪切力與摩擦均被限制在較低水平[10,26]，因此對狹窄曲折空間適應(yīng)性較強(qiáng)；蝦蛄等軟甲亞綱動(dòng)物腹節(jié)通過韌帶組織連接覆甲腹節(jié)，在肌肉的驅(qū)動(dòng)下，韌帶組織分別形成褶皺折疊與充分展開以實(shí)現(xiàn)不同彎曲體態(tài)?；谏鲜龇律鷮W(xué)原理，本文設(shè)計(jì)了一種多分布囊體結(jié)構(gòu)的自生長軟體機(jī)器人，以實(shí)現(xiàn)任務(wù)載荷等的運(yùn)輸和投遞，在此基礎(chǔ)上，引入與薄膜材料高度相容的非對稱褶皺轉(zhuǎn)向輔助結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高精度、可逆、大角度的主動(dòng)方向控制，其設(shè)計(jì)依據(jù)如下：

1)基于仿生學(xué)原理，通過驅(qū)動(dòng)氣室材料尖端外翻，并同時(shí)約束外側(cè)而放開內(nèi)側(cè)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)尖端自生長運(yùn)動(dòng)；以充氣壓力控制囊體剛度，實(shí)現(xiàn)剛和柔相結(jié)合，將機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)性最大化；

2)為實(shí)現(xiàn)主動(dòng)方向控制，引入四周分布?xì)馐也贾煤腿嵝苑菍ΨQ褶皺設(shè)計(jì)，通過對周向分布?xì)馐业姆菍ΨQ充壓和褶皺的差動(dòng)展開形成轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)力矩，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人尖端自生長過程中的高精度、可逆、大角度的主動(dòng)轉(zhuǎn)向；

3)為保證能源與信息高效持續(xù)傳輸，通過光電線纜連接本體與尖端載荷，實(shí)現(xiàn)了較強(qiáng)的續(xù)航能力。同時(shí)線纜包覆在氣室中，得以在復(fù)雜環(huán)境中保證線纜與軟體結(jié)構(gòu)協(xié)同運(yùn)動(dòng)。

1.2 自生長軟體機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1 自生長軟體機(jī)器人總體構(gòu)成

自生長軟體機(jī)器人主要由尖端載荷、光電線纜、壓力囊體和本體構(gòu)成，如圖5所示。尖端載荷主要承擔(dān)任務(wù)職能，根據(jù)實(shí)際需要搭載不同的任務(wù)載荷。壓力囊體為柔性充氣膜結(jié)構(gòu)，作為系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)模塊，用于運(yùn)送尖端載荷并容納光電線纜。本體部分為剛性的壓力容器，主要用于維持整個(gè)系統(tǒng)的氣密、收卷壓力囊體、容納其他組件，并為載荷提供能源和控制信號，在尖端載荷移動(dòng)過程中保持位置固定。

圖5 自生長軟體機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意Fig.5 Configuration of the self-growing soft robot

相比傳統(tǒng)采用硅橡膠或氣凝膠等完全柔性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，自生長軟體機(jī)器人可通過調(diào)整充氣壓力控制壓力囊體剛度，進(jìn)而適應(yīng)各種環(huán)境與工況：在通過縫隙、管道等小于自身特征尺寸的狹窄曲折通道時(shí)，此類機(jī)器人可降低自身剛度以提高結(jié)構(gòu)靈活性，以相對于環(huán)境剛度較柔的形式通過；當(dāng)通過階梯、溝渠等遠(yuǎn)大于自身特征尺寸的結(jié)構(gòu)或設(shè)施，需要進(jìn)行垂直或水平障礙跨越時(shí)，此類機(jī)器人可增加充氣內(nèi)壓，以相對于自身結(jié)構(gòu)較剛的形式實(shí)現(xiàn)跨越。

1.2.2 分布式多腔室膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在現(xiàn)有的軟體機(jī)器人研究中，為實(shí)現(xiàn)多運(yùn)動(dòng)自由度間的解耦，多采用多腔室設(shè)計(jì)[27]。通過將腔體空間分割，該布局能夠?qū)崿F(xiàn)對運(yùn)動(dòng)功能的獨(dú)立分配。為有效實(shí)現(xiàn)壓力囊體在各方向的有效轉(zhuǎn)向并將相互干涉與交連最小化，本文采用分布式腔室的囊體膜結(jié)構(gòu)方案。如圖6所示，壓力囊體由4條寬度為80 mm、厚度為0.05 mm的雙向拉伸聚烯烴收縮膜(POF)筒膜在邊緣熱合形成，熱合寬度約3 mm。其中內(nèi)側(cè)膜體所形成的中部空腔將用于容納光電線纜，該部分囊體外翻后形成的腔室作為直行腔室操縱壓力囊體外翻生長，每條筒膜將作為方向控制腔室，用于控制囊體轉(zhuǎn)向。

圖6 壓力囊體結(jié)構(gòu)示意Fig.6 Capsule structure

由于多腔室壓力囊體的截面幾何具有自相交性，需要設(shè)計(jì)形狀對應(yīng)的囊體夾持裝置，在保證氣密的前提下實(shí)現(xiàn)對各腔室的有效夾持。本文所設(shè)計(jì)的囊體夾持裝置如圖7所示，由緊固環(huán)、直行腔室夾持塊、方向控制腔室夾持塊和密封墊圈組成；直行腔室夾持塊在囊體夾持裝置中起到保持裝置整體形狀、定位囊體與其他零件、形成氣路等作用；多個(gè)方向控制腔室夾持塊與直行腔室夾持塊配合形成完整的圓臺(tái)形，以配合緊固環(huán)；緊固環(huán)則用于最終與腔室夾持塊組配合并提供預(yù)緊力以夾持壓力囊體。

圖7 囊體夾持裝置結(jié)構(gòu)示意Fig.7 Structure of the capsule holder

1.2.3 非對稱褶皺轉(zhuǎn)向輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的多腔室軟體機(jī)器人所采用的硅橡膠等基體材料多為超彈性體，可通過調(diào)節(jié)氣壓較大程度地改變腔體的形狀與剛度，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)[20]。對于膜結(jié)構(gòu)，在被充分張緊后充氣內(nèi)壓對剛度的貢獻(xiàn)將不會(huì)繼續(xù)增加[28]，在破壞前所能夠形成的變形量也較為有限。因此單純的腔室膜結(jié)構(gòu)難以實(shí)現(xiàn)對軟體機(jī)器人的轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)，仍需針對性開展相關(guān)研究，實(shí)現(xiàn)對充氣膜結(jié)構(gòu)高效精確的可逆控制。自然界中的蝦蛄等軟甲亞綱海洋底棲動(dòng)物需要在珊瑚、礁石的縫隙與洞穴中穿行，同時(shí)依靠堅(jiān)硬的外骨骼御敵，因而演化出特殊的覆甲腹節(jié)結(jié)構(gòu)。如圖8所示。其腹節(jié)甲殼間由柔性的韌帶組織連接，在內(nèi)凹彎曲時(shí)，甲殼邊緣交錯(cuò)，韌帶反向伸展；外凸彎曲時(shí)，甲殼邊緣分離，韌帶正向伸展。通過韌帶的不同姿態(tài)，分別形成與腹節(jié)下部的長度差，改變體態(tài)。

圖8 蝦蛄腹節(jié)結(jié)構(gòu)彎曲原理示意Fig.8 Curvature of Malacostraca abdominal segments

基于對上述仿生學(xué)原理的參考，本文將軟甲亞綱海洋動(dòng)物的覆甲腹節(jié)結(jié)構(gòu)與充氣膜結(jié)構(gòu)相結(jié)合，提出非對稱褶皺轉(zhuǎn)向輔助結(jié)構(gòu)。由于筒膜材料對擠出工藝的要求，對非對稱褶皺結(jié)構(gòu)的一次成型仍較難以實(shí)現(xiàn)，因此本文通過在現(xiàn)有筒膜材料的基礎(chǔ)上二次附加約束的方法對壓力囊體進(jìn)行制作。該輔助結(jié)構(gòu)主要設(shè)計(jì)參數(shù)為褶皺寬度與褶皺間距，具體制作方法如圖9所示。首先將筒膜壓平，并沿軸線方向折疊，形成寬度確定的Z形褶皺；其次固定單側(cè)褶皺，此時(shí)雙側(cè)褶皺在展開能力上形成非對稱；最后根據(jù)確定的褶皺間距在筒膜上重復(fù)布置多組結(jié)構(gòu)，作為壓力囊體的方向控制腔室。

圖9 非對稱褶皺轉(zhuǎn)向輔助結(jié)構(gòu)工藝示意Fig.9 Process for realizing the asymmetrically folded auxiliary structure

非對稱褶皺轉(zhuǎn)向輔助結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)原理如圖10所示，當(dāng)需要進(jìn)行轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)時(shí)，對方向控制腔室進(jìn)行充壓，此時(shí)在薄膜張力的作用下，未固定側(cè)褶皺將展開，而固定側(cè)褶皺則無法展開，形成雙側(cè)的長度差，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。在向相反方向驅(qū)動(dòng)時(shí)，先前展開的非固定側(cè)褶皺將在對側(cè)控制腔室的壓力下，沿工藝形成的預(yù)設(shè)折痕折疊，恢復(fù)至展開前的狀態(tài)，從而保障單次轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)精度不會(huì)受到先前轉(zhuǎn)向影響。由于未引入剛性零件，該轉(zhuǎn)向輔助結(jié)構(gòu)幾乎不會(huì)影響囊體穿越狹窄縫隙的能力；預(yù)置的褶皺對側(cè)薄膜的展開不會(huì)造成壓力囊體總體長度的收縮，展開長度固定，確保了較高的作動(dòng)精度與方向控制可逆性；同時(shí)相比現(xiàn)有方案較大程度地簡化了工藝，在制造方面同樣具備優(yōu)勢。

圖10 非對稱褶皺轉(zhuǎn)向輔助結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)原理示意Fig.10 Working mechanism of the asymmetrically folded auxiliary structure

1.3 自生長軟體機(jī)器人本體設(shè)計(jì)

自生長軟體機(jī)器人本體零件主要通過3D打印制作，包括外殼、保持架、囊體導(dǎo)向與回卷裝置和囊體夾持裝置4部分，如圖11所示。其中囊體夾持裝置、囊體導(dǎo)向與回卷裝置固定在形狀適配的保持架中，整體置于外殼中。囊體導(dǎo)向與回卷裝置具體由伺服電機(jī)、傳動(dòng)軸、囊體收納輪與收納輪軸構(gòu)成。伺服電機(jī)提供軟體回卷時(shí)的驅(qū)動(dòng)力，傳動(dòng)軸通過錐齒輪和一對直齒輪將伺服電機(jī)的收卷運(yùn)動(dòng)傳遞至囊體收納輪。囊體收納輪用于與收納輪軸共同夾持囊體，同時(shí)起到收卷囊體的作用。壓力管線為提供氣體壓力的軟管，穿過外殼連接囊體夾持裝置與氣源，分別為不同的氣室供氣。管線上均連接有各種氣壓元件，用于形成傳動(dòng)回路。

圖11 自生長軟體機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意Fig.11 Structural of the self-growing soft robot

2 自生長軟體機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程分析

2.1 運(yùn)動(dòng)原理分析

自生長軟體機(jī)器人的直行原理如圖12所示。壓力囊體一端固定于本體末端，一端收卷于本體內(nèi)部。工作時(shí)需通過外接氣源提供氣壓與流量，使囊體與氣源、本體形成回路。在內(nèi)壓的作用下，從本體外殼的中部向外翻出生長。由于生長部分從收卷端提供，已展開部分得以與環(huán)境保持靜止，從而避免了由于運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的碰撞、磨損、撕裂等損壞。另一方面，外翻生長的運(yùn)動(dòng)方式可以使壓力囊體與環(huán)境更為有效地貼合，結(jié)合充氣膜結(jié)構(gòu)較高的柔性，有助于快速穿越狹窄曲折空間。

圖12 自生長軟體機(jī)器人直行原理示意Fig.12 Growing mechanism

非對稱褶皺轉(zhuǎn)向輔助結(jié)構(gòu)獨(dú)立且對稱分布于四個(gè)方向控制腔室，由于各方向上的固定褶皺同時(shí)形成約束，在生長時(shí)不會(huì)對直行形成影響。而在轉(zhuǎn)向時(shí)，非固定側(cè)褶皺結(jié)構(gòu)幾乎無法承受對側(cè)腔室驅(qū)動(dòng)時(shí)形成的壓力，不會(huì)對相反的轉(zhuǎn)向指令形成阻礙，具有良好的可逆性，如圖13所示。由于非固定側(cè)褶皺的最大展開范圍存在限制，轉(zhuǎn)向效果可通過設(shè)計(jì)褶皺寬度與間隔進(jìn)行調(diào)整，因此具備較高的精度。輔助結(jié)構(gòu)單純由膜結(jié)構(gòu)組成，具備與囊體同等的柔性，不會(huì)干涉其穿越縫隙的能力。此外，得益于非對稱褶皺較為靈活的展開與復(fù)原方式，在環(huán)境約束下的褶皺在充壓狀態(tài)下也不會(huì)展開，而氣壓控制信號將沿壓力控制腔室傳遞，并在具有充足空間的位置驅(qū)動(dòng)褶皺展開，確保了壓力囊體的主動(dòng)控制與在環(huán)境約束下的被動(dòng)控制不會(huì)發(fā)生沖突。

圖13 自生長軟體機(jī)器人轉(zhuǎn)向原理示意Fig.13 Controlling principle of the soft robot

2.2 運(yùn)動(dòng)控制回路設(shè)計(jì)

壓力囊體的生長直行與轉(zhuǎn)向都通過氣壓驅(qū)動(dòng)，因此采用氣壓傳動(dòng)控制回路對自生長軟體機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，其氣壓傳動(dòng)簡圖如圖14所示。動(dòng)力元件采用雙向氣壓泵實(shí)現(xiàn)對生長與回卷的驅(qū)動(dòng)；直行功能通過三位三通電磁換向閥控制開關(guān)，通過調(diào)速閥實(shí)現(xiàn)對生長速度的控制；回卷則通過壓力開關(guān)啟動(dòng)伺服電機(jī)與空氣壓縮機(jī)共同驅(qū)動(dòng)；轉(zhuǎn)向功能按方向通過兩個(gè)二位三通電磁換向閥進(jìn)行控制。

圖14 氣壓控制回路簡圖Fig.14 Air-pressure control circuit

尖端載荷在壓力囊體生長時(shí)保持于尖端，其結(jié)構(gòu)如圖15所示。尖端載荷通過自主導(dǎo)航接近目標(biāo)，并將目標(biāo)信息以圖像形式返給尖端載荷中的光學(xué)傳感器和人工智能圖像識別模塊，構(gòu)建基于深度圖的點(diǎn)云地圖，如圖16所示。處理后的環(huán)境信息將通過控制信號進(jìn)一步返還給本體，最終實(shí)現(xiàn)自生長軟體機(jī)器人根據(jù)目標(biāo)信息進(jìn)行本體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)調(diào)整。轉(zhuǎn)向方案控制回路示意如圖17所示。所選用的相機(jī)模塊為美國Omnivision公司生產(chǎn)的OV7725(分辨率為640×480、每秒傳輸幀數(shù)為30)。

圖15 尖端載荷結(jié)構(gòu)示意Fig.15 Structural configuration of the functional load

圖16 尖端載荷圖像采集與點(diǎn)云地圖構(gòu)建Fig.16 Image acquisition and point cloud mapping of the functional load

圖17 控制回路示意Fig.17 Diagram of the control circuit

3 非線性動(dòng)力學(xué)建模

3.1 數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

3.1.1 直行

對于方向控制腔室未展開，僅有直行腔室工作的壓力囊體，假設(shè)壓力囊體對其內(nèi)部氣體無阻尼，即生長速度等于流速，則在氣源常壓下，生長速度為

(1)

式中：QV為氣源體積流量；A為壓力囊體通流截面積；QM為質(zhì)量流量；ρ為此時(shí)的氣體密度。對于壓力氣體，密度可視作壓強(qiáng)的函數(shù)，即

ρ=ρ(p)

(2)

(3)

由于壓力囊體在張緊時(shí)半徑幾乎不變，可近似認(rèn)為對于幾何參數(shù)給定的壓力囊體，在壓力囊體結(jié)構(gòu)完全張緊到失效前的范圍內(nèi)，任意壓強(qiáng)下壓力囊體生長速度為

(4)

3.1.2 轉(zhuǎn)向

對于單個(gè)褶皺，其所在方向控制腔室充壓后形狀示意如圖18所示，根據(jù)幾何關(guān)系可得其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角θ0為

(5)

式中：w為褶皺寬度；r為壓力囊體半徑。則壓力囊體總轉(zhuǎn)角θ與總法向位移S分別為

θ=nθ0

(6)

(7)

式中：n為褶皺數(shù)目；l為褶皺間距；m為褶皺間壓力囊體直線段數(shù)目。則囊體轉(zhuǎn)向時(shí)的曲率半徑rL為

(8)

式中：L為囊體生長長度。

圖18 方向控制腔室參數(shù)示意Fig.18 Parameters of the controlling chamber

3.2 有限元模型構(gòu)建

氣室充氣過程涉及到氣體高速流動(dòng)、氣體與氣室相互作用等復(fù)雜物理現(xiàn)象。為控制運(yùn)算分析成本，本文采用控制體積法對自生長軟體機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行分析。控制體積法將氣室視為一個(gè)可控制的體積，充氣過程為絕熱過程，充氣氣體視為具有恒定比熱的理想氣體，在控制體積內(nèi)溫度和壓強(qiáng)均勻一致，能夠很好地描述展開后期與環(huán)境相互作用的效果[29]。在此基礎(chǔ)上，選用適合大變形分析的fabric氣囊材料模型，通過Belytschko-Tsay薄膜單元算法開展分析，并采用罰函數(shù)法處理其相互折疊后氣室單元之間的接觸。通過設(shè)置黏性阻尼系數(shù)，降低氣室展開速度，用來減小由于氣體充入氣室時(shí)動(dòng)能引起的過大變形[30]。囊體根部設(shè)置固支約束，所采用的材料為POF，其力學(xué)參數(shù)與初始有限元模型參數(shù)分別如表1、表2與圖19所示。

表1 壓力囊體力學(xué)性能參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of the pressure capsule

表2 壓力囊體幾何參數(shù)Table 2 Geometric parameters of the pressure capsule

圖19 壓力囊體有限元模型Fig.19 FEM model of the capsule

4 試驗(yàn)結(jié)果與對比

為驗(yàn)證非對稱褶皺轉(zhuǎn)向方案的有效性與所建立數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性，以典型城市環(huán)境為場地，通過試驗(yàn)方法對2.1節(jié)所設(shè)計(jì)的自生長軟體機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行測試，內(nèi)容分為運(yùn)動(dòng)性能以及越障性能兩部分。其中，運(yùn)動(dòng)性能試驗(yàn)分為直行速度試驗(yàn)與轉(zhuǎn)向角度試驗(yàn)，越障性能試驗(yàn)則分為縫隙穿越試驗(yàn)與障礙跨越試驗(yàn)。

4.1 運(yùn)動(dòng)性能試驗(yàn)

4.1.1 試驗(yàn)步驟

在直行速度試驗(yàn)中，采用POF制作自生長軟體機(jī)器人中的壓力囊體。此類材質(zhì)的薄膜具有光潔、承拉能力較強(qiáng)等特點(diǎn)，有助于減小囊體間干涉，因此在同等壓力條件下具有理想的生長速度，其幾何及材料選取與有限元模型保持一致。為研究充氣壓力對生長速度的影響效果，在不同壓力下對該壓力囊體進(jìn)行直行試驗(yàn)測試。試驗(yàn)場地為室外地磚路面，測試距離為3 m，如圖20所示。通過高幀率設(shè)備錄制整個(gè)生長過程，計(jì)算囊體生長速度，試驗(yàn)重復(fù)3次，取均值作為最終結(jié)果。

圖20 直行速度試驗(yàn)示意Fig.20 Growing speed experiment setup

在轉(zhuǎn)向試驗(yàn)中，為研究褶皺參數(shù)對轉(zhuǎn)向效果的影響，分別對不同褶皺間隔與寬度的壓力囊體進(jìn)行轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)，記錄其法向位移，并聯(lián)立(9)式、(10)式與(8)式計(jì)算曲率半徑與轉(zhuǎn)向角度：

(9)

θ=f-1(S)

(10)

試驗(yàn)場地與器材如圖21所示，在囊體尖端內(nèi)側(cè)粘貼直徑為1 cm的黑色標(biāo)記貼紙，使其盡量靠近囊體軸線。取長度為1 m的鋁型材平行固支于地面，將兩枚T型螺栓固定于激光測距儀，沿鋁型材槽道緩慢滑動(dòng)，取突變時(shí)的讀數(shù)作為囊體法向位移，試驗(yàn)重復(fù)3次，取均值作為最終結(jié)果，如圖22所示。在此基礎(chǔ)上為驗(yàn)證該轉(zhuǎn)向方案可逆性及各向性質(zhì)，對于設(shè)置非對稱褶皺的壓力囊體，生長出100 cm后進(jìn)行轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)并記錄其轉(zhuǎn)向角度，并測試其轉(zhuǎn)向后向反側(cè)二次轉(zhuǎn)向效果，如圖23所示。

圖21 轉(zhuǎn)向試驗(yàn)場地示意Fig.21 Site of the steering experiment

圖22 轉(zhuǎn)向試驗(yàn)示意Fig.22 Steering experiment setup

圖23 轉(zhuǎn)向方案可逆性及各向性質(zhì)試驗(yàn)示意Fig.23 Reversibility and isotropic property of the steering scheme

4.1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

壓力囊體直行速度的理論推導(dǎo)及試驗(yàn)結(jié)果對比如表3所示，所建立的自生長軟體機(jī)器人直行運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型總體上較為準(zhǔn)確，在表壓大于200 kPa時(shí)誤差均小于5%，可以有效描述該自生長軟體機(jī)器人直行運(yùn)動(dòng)速度。其中，囊體直行速度隨氣體壓強(qiáng)上升近似呈線性關(guān)系，模型預(yù)測值均高于試驗(yàn)結(jié)果，推測主要由于壓力囊體在外翻過程中內(nèi)部生長側(cè)與外部固定側(cè)存在摩擦，導(dǎo)致速度有所下降。誤差隨壓強(qiáng)上升而下降，表明摩擦對壓力囊體運(yùn)動(dòng)的影響比例逐漸下降，符合實(shí)際。模型在零表壓時(shí)誤差較大，推測除摩擦力影響較大外，此時(shí)由于內(nèi)壓無法使膜結(jié)構(gòu)完全張緊，導(dǎo)致較大的速度損失。

表3 直行速度對比Table 3 Comparison of growing speeds

壓力囊體轉(zhuǎn)向試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。囊體的有限元模型分別按照褶皺寬度為0.5 cm的試驗(yàn)樣件組建立，結(jié)果如圖24所示，由于未設(shè)置環(huán)境摩擦阻尼，有限元仿真結(jié)果為在壓力氣囊轉(zhuǎn)向平面內(nèi)的近似諧振動(dòng)。為簡化分析，取振動(dòng)周期內(nèi)的均值視作有效結(jié)果，如圖25所示。理論推導(dǎo)、仿真與試驗(yàn)結(jié)果對比如表5所示。所構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型與仿真結(jié)果的相對誤差均約5%，因此認(rèn)為具有較高的精度。推測誤差主要來源于樣件加工過程，較短的褶皺間距離有助于控制測量與加工的誤差?？傮w而言，能夠較為有效地反映自生長軟體機(jī)器人的轉(zhuǎn)向趨勢，認(rèn)為在加工精確的前提下，所建立的數(shù)學(xué)模型可較準(zhǔn)確地描述壓力囊體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

壓力囊體轉(zhuǎn)向試驗(yàn)結(jié)果表明，囊體轉(zhuǎn)向時(shí)的曲 率半徑隨褶皺寬度的增加而下降，隨褶皺間距的增加而增加，本文中所測試的樣件實(shí)現(xiàn)了最小曲率半徑4.6 cm的大角度轉(zhuǎn)向，展現(xiàn)出較強(qiáng)的操縱性。在囊體轉(zhuǎn)向后，二次轉(zhuǎn)向精度基本保持不變，誤差小于1°，推測為工藝導(dǎo)致。此外也可根據(jù)應(yīng)用對褶皺參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)多種幅度、形態(tài)、尺寸的作動(dòng)效果，具有較高的設(shè)計(jì)自由度，如圖26所示。在工程應(yīng)用中，囊體的褶皺分布規(guī)律可根據(jù)目標(biāo)環(huán)境所需要的最小轉(zhuǎn)向半徑進(jìn)行保守設(shè)計(jì)，但無需完全根據(jù)環(huán)境與路徑的真實(shí)特點(diǎn)安排褶皺的位置。對于環(huán)境信息已知的工況，亦可通過對褶皺布局的針對性設(shè)計(jì)提升囊體的運(yùn)動(dòng)效率。

表4 轉(zhuǎn)向試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Results of steering experiments

圖24 壓力囊體轉(zhuǎn)向仿真時(shí)間- 位移曲線Fig.24 Time-displacement curves in steering

圖25 壓力囊體轉(zhuǎn)向仿真結(jié)果Fig.25 Simulation results of steering

表5 轉(zhuǎn)向試驗(yàn)、理論推導(dǎo)及仿真結(jié)果對比

圖26 各形態(tài)壓力囊體驅(qū)動(dòng)效果Fig.26 Driving effects of the pressure capsule

4.2 越障性能試驗(yàn)

4.2.1 試驗(yàn)步驟

在縫隙穿越試驗(yàn)中，選擇典型城市用雨水井蓋開展試驗(yàn)。所選擇的平篦式雨水井蓋格柵間距2 cm寬，雨水井蓋吊裝孔直徑2 cm。在縫隙穿越試驗(yàn)中，將氣源調(diào)壓至500 kPa，驅(qū)動(dòng)壓力囊體外翻分別生長穿越井蓋，如圖27所示。在此基礎(chǔ)上，為驗(yàn)證轉(zhuǎn)向輔助方案與穿越縫隙性能的兼容性，采用建筑排水管材搭建試驗(yàn)場地，管道直徑4.6 cm，總長度50 m，末端連接直徑2.8 cm的變徑接頭。囊體褶皺參數(shù)如圖28所示。將空氣壓縮機(jī)調(diào)壓至800 kPa，驅(qū)動(dòng)壓力囊體外翻沿管道生長，并在完成穿越后驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向，如圖29所示。

圖27 縫隙穿越試驗(yàn)示意Fig.27 Gap-crossing experiment

圖28 縫隙穿越試驗(yàn)?zāi)殷w褶皺參數(shù)示意Fig.28 Parameters of capsule folds in a gap-crossing experiment

圖29 縫隙穿越與轉(zhuǎn)向兼容效果試驗(yàn)結(jié)果示意Fig.29 Results of compatibility between gap-crossing and steering experiments

垂直障礙跨越試驗(yàn)選擇在建筑外墻體開展，將空氣壓縮機(jī)調(diào)壓至500 kPa，驅(qū)動(dòng)壓力囊體外翻向上方垂直生長，如圖30(a)所示。在觀測到囊體屈曲或脫離墻面時(shí)立刻停止供氣，測量囊體生長長度。水平障礙跨越試驗(yàn)選擇在階梯間，寬約3 m的綠化帶開展，將空氣壓縮機(jī)同樣調(diào)壓至500 kPa，驅(qū)動(dòng)壓力囊體外翻水平生長，如圖30(b)所示。整個(gè)過程通過高碼率設(shè)備錄制，判斷囊體尖端觸地時(shí)的生長長度。試驗(yàn)重復(fù)3次，取均值作為最終結(jié)果。

圖30 障礙跨越試驗(yàn)示意Fig.30 Barrier-striding experiments

4.2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析與應(yīng)用討論

在縫隙穿越試驗(yàn)中，壓力囊體有效穿越了最小尺寸為直徑2 cm的小孔。在此基礎(chǔ)上，在管道內(nèi)穿行超過50 m，并通過直徑2.8 cm的小孔，實(shí)現(xiàn)了曲率半徑6.2 cm的65°主動(dòng)轉(zhuǎn)向，表明所設(shè)計(jì)的自生長軟體機(jī)器人在較長的任務(wù)距離下，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)穿越縫隙以及大角度主動(dòng)轉(zhuǎn)向，在狹窄環(huán)境適應(yīng)性及操縱性方面具備一定的優(yōu)勢。在障礙跨越試驗(yàn)中，壓力囊體分別實(shí)現(xiàn)了6.3 m的垂直與3.6 m的水平跨越能力，表明所設(shè)計(jì)的自生長軟體機(jī)器人在立體復(fù)雜環(huán)境下同樣具有良好的適應(yīng)性。

在工程實(shí)際中，自生長軟體機(jī)器人主要用于內(nèi)部信息欠缺的狹窄復(fù)雜環(huán)境。其涉及的工況可主要分為狹窄曲折縫隙、分岔路徑、開闊空間及其與狹窄路徑的突然切換幾類，如圖31所示。在狹窄曲折縫隙中，機(jī)器人可利用其外翻生長的特點(diǎn)貼合環(huán)境前進(jìn)，而無需進(jìn)行主動(dòng)方向控制。遭遇分岔路徑時(shí)，可通過主動(dòng)控制對所需探索的路徑進(jìn)行選擇，此時(shí)已展開的囊體結(jié)構(gòu)在環(huán)境的約束下，僅有尖端部分會(huì)響應(yīng)控制信號。而在開闊空間中，缺乏環(huán)境約束的囊體會(huì)根據(jù)控制信號形成對應(yīng)的彎曲變形，但不會(huì)對尖端的控制與姿態(tài)形成影響。在非對稱褶皺主動(dòng)轉(zhuǎn)向方案的驅(qū)動(dòng)下，自生長軟體機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)在多種復(fù)雜環(huán)境下的通行與探測。

圖31 自生長軟體機(jī)器人復(fù)雜環(huán)境應(yīng)用示意Fig.31 Applications of the self-growing soft robot in complex environments

5 結(jié)論

針對現(xiàn)有軟體機(jī)器人主動(dòng)轉(zhuǎn)向方案難以兼顧大角度、高精度、可逆性以及縫隙穿越性能的不足，本文設(shè)計(jì)了一種具有非對稱褶皺結(jié)構(gòu)的自生長軟體機(jī)器人，并針對直行能力、轉(zhuǎn)向能力等運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行數(shù)學(xué)建模、有限元仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證。得出以下主要結(jié)論：

1)基于仿生學(xué)原理設(shè)計(jì)了一種結(jié)合非對稱褶皺和周向分布式氣室設(shè)計(jì)的自生長軟體機(jī)器人，具有轉(zhuǎn)向形態(tài)設(shè)計(jì)自由度高、轉(zhuǎn)向精確可逆、不影響縫隙穿越性能等特點(diǎn)，并完成樣機(jī)制造。

2)采用試驗(yàn)方法研究了自生長軟體機(jī)器人的直行和轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)性能，并驗(yàn)證了自生長軟體機(jī)器人在典型城市環(huán)境下執(zhí)行縫隙穿越、垂直與水平越障任務(wù)的有效性，展現(xiàn)了軟體機(jī)器人利用狹窄縫隙空間對內(nèi)部敵人輔助監(jiān)視打擊的潛力。

3)通過理論、仿真和試驗(yàn)結(jié)合的方法，分析了氣壓、褶皺寬度、褶皺間距等設(shè)計(jì)參數(shù)對直行速度、轉(zhuǎn)向角度等性能的關(guān)系。為此類軟體機(jī)器人后續(xù)的研發(fā)與改進(jìn)奠定基礎(chǔ)。