軟體末端執(zhí)行器的研究現(xiàn)狀★

仲天賜，陸明月，吳言言

（江蘇理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常州 213001）

0 引言

隨著近年來(lái)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，以及自動(dòng)化控制、工業(yè)制造、機(jī)器人形態(tài)學(xué)等方面技術(shù)的不斷進(jìn)步,機(jī)器人作為交叉學(xué)科匯聚了各方面的頂尖技術(shù)，在人類社會(huì)中扮演著越來(lái)越重要的角色[1]。傳統(tǒng)機(jī)器人大多是由剛性材料構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體型較大、靈活性差，滿足不了如管道探傷、果蔬采摘等復(fù)雜環(huán)境的作業(yè)需求。而軟體機(jī)器人主要由硅膠、編織物等柔性材料組成，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、變形較大、運(yùn)動(dòng)靈活，可適應(yīng)于狹窄空間、復(fù)雜表面等環(huán)境，因此成為眾多學(xué)者的研究熱點(diǎn)[2]。

軟體末端執(zhí)行器是軟體機(jī)器人與目標(biāo)表面直接接觸的關(guān)鍵部件，為提高末端執(zhí)行器的適應(yīng)性、降低對(duì)周圍環(huán)境破壞和損傷，人們對(duì)軟體末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)與研制展開了如火如荼的研究。上海交通大學(xué)谷國(guó)迎團(tuán)隊(duì)使用纖維增強(qiáng)技術(shù)制造了三指軟執(zhí)行器，氣體驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)損抓取[3]。然而，目前研究的軟體末端執(zhí)行器仍存在末端力小、抓取不穩(wěn)定、可控性差的問(wèn)題，為了解決這些問(wèn)題，學(xué)者們從驅(qū)動(dòng)方式、結(jié)構(gòu)與材料組成、材料與制作等方面進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化，本文將對(duì)此展開詳細(xì)論述和探討。

1 軟體執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)

現(xiàn)有研發(fā)的軟體執(zhí)行器主要采用形狀記憶金屬（Shape Memory Alloy，SMA）驅(qū)動(dòng)、電活性聚合物（Electroactive Polymers，EAP）驅(qū)動(dòng)、氣體驅(qū)動(dòng)等驅(qū)動(dòng)方式。

1.1 SMA 軟體執(zhí)行器

基于SMA 驅(qū)動(dòng)的軟體執(zhí)行器能夠在溫度調(diào)控下變形并恢復(fù)其最初形狀，從而產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力使執(zhí)行器進(jìn)行彎曲和卷曲運(yùn)動(dòng)，這些執(zhí)行器控制裝置簡(jiǎn)單、體積小、質(zhì)量輕，如圖1 所示a，加熱狀態(tài)下能夠使得SMA發(fā)生膨脹彎曲，寬的SMA 加熱使執(zhí)行器向內(nèi)彎曲，窄的SMA 加熱使得執(zhí)行器恢復(fù)原來(lái)的位置。

圖1 SMA 手指的變形與恢復(fù)的狀態(tài)

1.2 EAP 軟體執(zhí)行器

EAP 軟體執(zhí)行器通常是由離子聚合物（離子交換膜）和離子交換聚合金屬材料（Ion-exchange Polymer Metal Composite，IPMC）、導(dǎo)電聚合物、介彈性體、凝膠和碳納米管（Carbon Nanotubes，CNTs）等材料制作而成。導(dǎo)電聚合體是半導(dǎo)體經(jīng)過(guò)氧化電導(dǎo)率，還原后半導(dǎo)體的電導(dǎo)率可以施加電勢(shì)控制。因此，導(dǎo)電聚合物具有柔韌性、適應(yīng)性和高導(dǎo)電性等特點(diǎn)，適合應(yīng)用于電控軟體執(zhí)行器。如圖2 所示，執(zhí)行器的兩種狀態(tài)EAP 執(zhí)行器負(fù)載能力較低，需要較大的電力源驅(qū)動(dòng)。

圖2 由乙醇與有機(jī)硅彈性體混合基質(zhì)肌肉

1.3 氣動(dòng)軟體執(zhí)行器

氣體驅(qū)動(dòng)具有反應(yīng)速度快、無(wú)污染的特點(diǎn)，也是比較常見的一種驅(qū)動(dòng)方式。氣動(dòng)軟體執(zhí)行器種類較多，結(jié)構(gòu)形態(tài)各異。研究人員使用多腔室結(jié)構(gòu)或者是單腔室的結(jié)構(gòu)制作驅(qū)動(dòng)器，這些驅(qū)動(dòng)都擁有主動(dòng)層和被動(dòng)層。通過(guò)氣壓的變化控制主動(dòng)層的彎曲變化，可以使得主動(dòng)層與被動(dòng)層產(chǎn)生彎曲形變，實(shí)現(xiàn)軟執(zhí)行器的彎曲。氣壓驅(qū)動(dòng)輸出的力較大，響應(yīng)速度較快、較好控制，但能耗較高。

2 軟體執(zhí)行器結(jié)構(gòu)

對(duì)于軟體執(zhí)行器結(jié)構(gòu)上的改變現(xiàn)有方式有改變多腔室的腔室結(jié)構(gòu)，對(duì)單腔室附加纖維。

2.1 單腔室纖維增強(qiáng)

單腔室的執(zhí)行器有易于制造、密封性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。為了彌補(bǔ)末端力的不足和方便控制，在其外表面增加了纖維增強(qiáng)。各向異性管的非線性理論，以及簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型表明，加壓纖維增強(qiáng)空心圓柱體能夠進(jìn)行多種運(yùn)動(dòng)。

單腔式執(zhí)行器在單個(gè)氣腔上進(jìn)行了改變，將其單個(gè)腔室劃分為三個(gè)均勻腔室，每個(gè)腔室都連接氣管，分別進(jìn)行延伸與轉(zhuǎn)向的作用?？梢宰寛?zhí)行器更好地通過(guò)T 形彎管的連接處，圖3 為執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)[4]。

圖3 單腔式執(zhí)行器

2.2 氣動(dòng)網(wǎng)格執(zhí)行器

目前，氣動(dòng)網(wǎng)格執(zhí)行器都是由軟材料制成，由于抓取的對(duì)象差異性大、材料非線性等特點(diǎn)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)參數(shù)差異較大,相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法和理論較為缺乏?，F(xiàn)在的理論多基于非線性模型。多腔室執(zhí)行器相比較單腔式執(zhí)行器接觸面積更大，抓取能力與穩(wěn)定性更強(qiáng)，在腔室釋放壓力時(shí)，整個(gè)執(zhí)行器在軸向發(fā)生形變，降低因材料非線性的影響，整個(gè)執(zhí)行器趨于正常的常曲率結(jié)構(gòu)。圖4 為氣動(dòng)網(wǎng)格執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)[5]，氣動(dòng)網(wǎng)格執(zhí)行器分為慢速氣動(dòng)腔室和快速氣動(dòng)腔室，如圖5 所示。從圖5-1 可看出，慢速氣動(dòng)中兩個(gè)腔室之間互相連接的部分為內(nèi)壁，內(nèi)壁厚于外壁。在施加氣壓時(shí)，外壁是最薄弱的部分先膨脹拉伸內(nèi)壁，使得執(zhí)行器整個(gè)部分發(fā)生彎曲[6]。

圖4 氣動(dòng)網(wǎng)格執(zhí)行器

圖5 氣動(dòng)腔室

從圖5-2 可看出，快速氣動(dòng)腔室膨脹延伸到每個(gè)腔室之間，內(nèi)壁互相擠壓。內(nèi)壁比外壁更薄，當(dāng)施加氣壓時(shí)，內(nèi)壁的剛度降低，會(huì)比外壁先一步的膨脹，外壁的壓力相對(duì)于內(nèi)壁變小。由于腔室之間膨脹互相擠壓會(huì)使主動(dòng)層向著長(zhǎng)度方向快速延伸。

3 制造與材料

軟體執(zhí)行器使用柔韌性較好的材料，在能夠滿足無(wú)損抓取的同時(shí)也能夠滿足性能的需求。隨著技術(shù)和研究的深入，使用的柔性材料越來(lái)越多，例如SMA、EAP、纖維、聚合物和磁流體等仿生材料。

這些材料通常使用澆鑄來(lái)鑄造完成，使用3D 打印技術(shù)制作出模具，制作出所需要的執(zhí)行器。這種方法成本低、成型快，適合多種材料組合使用。隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)有新技術(shù)4D打印制作軟體抓手如圖6 所示[7]。使用增材制造技術(shù)對(duì)智能材料進(jìn)行快速成形，在環(huán)境的刺激下，使3D 結(jié)構(gòu)發(fā)生改變進(jìn)而形成4D 結(jié)構(gòu)。

圖6 4D 打印

4 結(jié)語(yǔ)

軟體執(zhí)行器涉及材料學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)和制造、傳感器及控制等多個(gè)學(xué)科，其憑借靈活性高、適應(yīng)性好、制作成本低等優(yōu)勢(shì)，在醫(yī)療、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)傷、便捷和穩(wěn)定的抓取目標(biāo)是執(zhí)行器的關(guān)鍵任務(wù)，研究出不同結(jié)構(gòu)和不同屬性的執(zhí)行器是近期較為熱門的課題。對(duì)于現(xiàn)存執(zhí)行器末端力不足的問(wèn)題，可以在結(jié)構(gòu)上加以改變，使用兩種及其以上的結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起，利用不同種的驅(qū)動(dòng)方式結(jié)合起來(lái)，互相彌補(bǔ)不足之處，來(lái)滿足不同任務(wù)的需求。