軟體機(jī)器人研究發(fā)展綜述

劉璟+張益峰+王子又

摘 要：軟體機(jī)器人是一類新型仿生連續(xù)體機(jī)器人， 可以在一定限度內(nèi)隨意變化形態(tài)，在生物工程、救災(zāi)救援、工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療服務(wù)、勘探勘測等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。其結(jié)構(gòu)模仿生物的流體靜力骨骼結(jié)構(gòu)，采用形狀記憶合金、化學(xué)驅(qū)動、氣壓驅(qū)動等驅(qū)動方式將其他形式能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。但還沒有可以通用的控制算法適用于所有軟體機(jī)器人，建模仍是一大難點(diǎn)。綜述了軟體機(jī)器人結(jié)構(gòu)機(jī)理、驅(qū)動方式等問題，并通過分析和梳理軟體機(jī)器人的發(fā)展歷程，分析了軟體機(jī)器人未來的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人 建模結(jié)構(gòu) 機(jī)理

中圖分類號：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）04（a）-0118-02

機(jī)器人已廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，但傳統(tǒng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)剛性強(qiáng)，環(huán)境適應(yīng)性差。為克服在狹窄空間內(nèi)運(yùn)動受到限制的缺點(diǎn)，科學(xué)家們從自然界汲取靈感，創(chuàng)造出遠(yuǎn)比那些傳統(tǒng)的金屬制同類更加靈活和多功能的軟體機(jī)器人。

軟體機(jī)器人的設(shè)計(jì)靈感來自于廣泛存在在自然界中的各種軟體動物，因其主要材料為柔軟材料，理論上自由度為無窮，并可以在一定限度內(nèi)隨意變化形態(tài)。該文介紹了軟體機(jī)器人結(jié)構(gòu)機(jī)理、驅(qū)動方式、控制方法及攻克難點(diǎn)等問題，并通過分析和梳理軟體機(jī)器人的發(fā)展歷程，分析了軟體機(jī)器人未來的發(fā)展方向。

1 研究現(xiàn)狀

軟體機(jī)器人是仿生機(jī)器人研究的后續(xù)，已引起各國的高度重視。

目前典型的軟體機(jī)器人有麻省理工學(xué)院、哈佛大學(xué)所研發(fā)的Meshworm機(jī)器人，可以使用SMA模擬蚯蚓蠕動并能抵抗強(qiáng)的沖擊[1]；意大利LASCHI等正在研制的仿生章魚；康奈爾大學(xué)的集可發(fā)光人造皮膚與充氣結(jié)構(gòu)為一體的軟體機(jī)器人；弗吉尼亞大學(xué)研發(fā)的仿生蝠鲼機(jī)器魚通過離子交換聚合金屬材料驅(qū)動，具有切換不同運(yùn)動模式的能力。

2 結(jié)構(gòu)機(jī)理

2.1 蠕蟲

蠕蟲并不具有剛性骨骼，它的身體主要部分是表皮、肌肉、體液和神經(jīng)系統(tǒng)。蠕蟲并不通過骨骼傳遞力，而是通過封閉流體產(chǎn)生靜壓力，它的軀體屬于流體靜力骨骼結(jié)構(gòu)。以蚯蚓為例，全身體積的40%為肌肉，它的肌肉屬于斜紋肌，由斜紋肉構(gòu)成封閉腔，內(nèi)部充滿體液。而體液限制了體積的變化，所以當(dāng)肌肉收縮時(shí)，會在另一方向上有相應(yīng)的長度變化，與腸蠕動過程類似。縱肌和環(huán)肌通過收縮改變直徑的大小，由此蠕蟲在每個體節(jié)間運(yùn)動肌肉，借由行進(jìn)波來完成身體的變形和移動。

2.2 頭足類動物

頭足類動物（如章魚、魷魚、墨魚等）具有進(jìn)行高難度的柔性運(yùn)動的能力。在一定范圍內(nèi)，每只觸手都可以隨意彎曲，配合空間改變身體長度[2]。章魚觸手是肌肉性靜水骨骼結(jié)構(gòu)，橫向和軸向肌肉分別控制觸手的伸長和縮短，在行動過程中由沿觸手分布的神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行指令的傳達(dá)，中樞神經(jīng)系統(tǒng)并非主要控制系統(tǒng)，由此可知，身體與環(huán)境之間的信息反饋交互會導(dǎo)致相應(yīng)的自主運(yùn)動。歐洲的項(xiàng)目進(jìn)行了仿真章魚的相關(guān)研究，由LASCHI負(fù)責(zé)組織協(xié)調(diào)[2]。

3 驅(qū)動方式

3.1 形狀記憶合金驅(qū)動

形狀記憶合金（SMA），其特點(diǎn)是溫度達(dá)到一定臨界值時(shí)可以使其在較低溫時(shí)產(chǎn)生的形變消失。作為一種智能合金材料和柔性驅(qū)動器材料，也可應(yīng)用于智能材料驅(qū)動器中，但仍需考慮怎樣將其完美嵌入基礎(chǔ)材料的基底。但是形狀記憶合金絲產(chǎn)生的應(yīng)力受溫度變化影響較大，它的熱力耦合行為源于材料本身的相變。除了溫度因素，形狀記憶合金中馬氏體的相變也可以正相關(guān)地由應(yīng)力引起。形狀記憶合金致動器一般為絲狀或薄片狀，為增加驅(qū)動范圍，可將其變?yōu)槁菪Y(jié)構(gòu)。

麻省理工學(xué)院首先開發(fā)出Meshworm[1]，一種仿生蚯蚓機(jī)器人，之后研究者開始普遍采用其作為驅(qū)動器。Tufts大學(xué)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的仿生毛蟲機(jī)器人GoQBot也由SMA驅(qū)動，研究者使用表面微加工技術(shù)，在6 μm厚的聚酰亞胺基底上嵌入SMA絲。

3.2 化學(xué)驅(qū)動

化學(xué)驅(qū)動是化學(xué)驅(qū)動機(jī)器人名字的由來，化學(xué)反應(yīng)是其本質(zhì)，使機(jī)器人完成動作的機(jī)械能來源于化學(xué)能。

其中一種化學(xué)能驅(qū)動的形式是用特殊材料（一般是凝膠）制成軟體機(jī)器人，水凝膠是一種智能驅(qū)動材料，在柔性機(jī)器人中被大量應(yīng)用。通過物理或化學(xué)作用交聯(lián)形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，親水性的功能高分子可以吸水溶脹，從而產(chǎn)生水凝膠，其形變是隨著外部環(huán)境的改變而變化的。早稻田大學(xué)NAKAMARU實(shí)驗(yàn)室研制了一種仿生尺蠖[3]，其特點(diǎn)是具有蠕蟲的運(yùn)動模式，原理是將由凝膠制成的弧形帶狀結(jié)構(gòu)置于混合溶液中，基于化學(xué)反應(yīng)凝膠產(chǎn)生伸縮變化，自震動使其運(yùn)動。

3.3 氣動驅(qū)動

氣動軟體機(jī)器人是指通過在結(jié)構(gòu)中充氣，利用氣壓使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形或者運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動的一類軟體機(jī)器人。氣動驅(qū)動技術(shù)成熟，反應(yīng)速度較快，功率密度高，但一般驅(qū)動設(shè)備體積大，受輔助系統(tǒng)的限制。

哈佛大學(xué)研制的章魚形柔性機(jī)器人Octobot由氣動機(jī)構(gòu)驅(qū)動。氣動機(jī)構(gòu)的運(yùn)作依賴于內(nèi)嵌的可充氣隔間的擴(kuò)張，相當(dāng)于致動器。這些致動器被集成到一個由液體燃料（液體過氧化氫）供能的流體氣動網(wǎng)絡(luò)。該燃料通過含有鉑催化劑的反應(yīng)室，催化劑會使過氧化氫分解，產(chǎn)生氧氣使致動器膨脹，從而使機(jī)器人的手臂發(fā)生運(yùn)動。Okayama研究室研發(fā)了氣動軟體機(jī)器魚。該機(jī)器魚的頭部安裝了一塊電子控制模板，腹部安裝了一個二氧化碳儲存罐，機(jī)器魚體內(nèi)則有兩根配置了吸入二氧化碳的噴嘴的充氣管，充氣管的氣體進(jìn)出可以控制魚的方向，而噴嘴則用來控制魚的游行速度。

4 結(jié)語

如今機(jī)器人發(fā)展的特點(diǎn)可概括為：橫向上，應(yīng)用面越來越寬。縱向上，機(jī)器人的種類會越來越多。而軟體機(jī)器人研究雖只是一種簡單的概念，但是有成為人類得力工具的潛力。

盡管軟體機(jī)器人的研究尚處于起步階段，仍是一種新的研究方向，跨學(xué)科的研究還存在著一系列問題。但未來軟體機(jī)器人勢必將綜合更多先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高柔軟性、多功能化、高親和度等性能特點(diǎn)，探發(fā)其在更多領(lǐng)域應(yīng)用的潛能。

參考文獻(xiàn)

[1] Seok S，Onal CD，Cho K，et al.Meshworm： a peristaltic soft robot with antagonistic nickel titanium coil actuators[J].Mechatronics，2012，18（5）：1485-1497.

[2] Kang R，Branson DT，Guglielmino E，et al. Dynamic modeling and control of an octopus inspired multiple continuum arm robot[J]. Computers and Mathematics with Applications， 2012，64（5）：1004-1016.

[3] Nakamaru S，Maeda S，Hara Y，et al.Development of novel self-oscillating gel actuator for achievement of chemical robot[A].IROS 2009. IEEE/RSJ International Conference[C].2009.