氣動(dòng)式軟體機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域與發(fā)展方向

李雅菲 汪霞 姚啟桂

摘 要：目前軟體機(jī)器人成為機(jī)器人研究的重點(diǎn)，氣動(dòng)軟體機(jī)器人相較于常見(jiàn)的軟體機(jī)器人更柔軟、低耗能、無(wú)污染且環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、靈活度高、易于控制，是軟體機(jī)器人在未來(lái)的重要發(fā)展方向。氣動(dòng)軟體機(jī)器人在生物醫(yī)學(xué)、搜救、探測(cè)、教育等領(lǐng)域越來(lái)越重要，并逐漸向人們的生活延伸，在服務(wù)、娛樂(lè)等方面也可見(jiàn)其身影。

關(guān)鍵詞：軟體機(jī)器人;氣動(dòng);柔軟;應(yīng)用領(lǐng)域

近年來(lái)，軟體機(jī)器人一直是學(xué)術(shù)界公認(rèn)為的新一代機(jī)器人最具有潛力的研究方向，將對(duì)機(jī)器人領(lǐng)域產(chǎn)生革命性影響。氣動(dòng)式軟體機(jī)器人由彈性材料構(gòu)成，它可利用體內(nèi)氣壓變化產(chǎn)生氣壓差來(lái)實(shí)現(xiàn)自身的形態(tài)轉(zhuǎn)變和連續(xù)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)變形可以兼容障礙物，適應(yīng)極端環(huán)境。氣動(dòng)式軟體機(jī)器人具有內(nèi)在的高柔性、自適應(yīng)性和自然安全的可交互性，剛度可調(diào)，可在大范圍內(nèi)改變自身形狀和尺寸。不需要鐵磁或電子元件驅(qū)動(dòng)，無(wú)活動(dòng)部件，具有良好的柔韌性。在強(qiáng)輻射、強(qiáng)電磁、粉塵以及外力碾壓重?fù)舻葪l件下?lián)碛休^好的可靠性。這使得氣動(dòng)軟體機(jī)器人在軍事、醫(yī)療、救援、教育、探索等領(lǐng)域顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿1]。

1研究現(xiàn)狀

隨著科技的發(fā)展，材料學(xué)、控制等學(xué)科的不斷突破，以及人們對(duì)醫(yī)療衛(wèi)生、救援、野外勘測(cè)等特殊應(yīng)用需求的日益增長(zhǎng)，氣動(dòng)軟體機(jī)器人早已經(jīng)不僅局限于實(shí)驗(yàn)室，飛速進(jìn)入了多種應(yīng)用領(lǐng)域。

1.1工業(yè)制造和醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域

軟體機(jī)器人特有的柔韌性讓人們看到了它在很多領(lǐng)域的發(fā)展性。J.Mckiben利用氣動(dòng)人工肌肉[2]幫助小兒麻痹癥病人鍛煉手腕，主要由橡膠管和纖維編織網(wǎng)組成，通過(guò)向橡膠管管腔充氣，使膠管徑向膨脹，從而帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)器沿軸向收縮，帶動(dòng)人工肌肉。北京軟體機(jī)器人公司研發(fā)出了一種氣動(dòng)軟體機(jī)械夾具，重復(fù)定位精度為0.1mm，可實(shí)現(xiàn)對(duì)物品精準(zhǔn)無(wú)誤地抓放。另外還已研發(fā)出一款雙向運(yùn)動(dòng)的康復(fù)手外骨骼機(jī)器人[3]，每根手指有一個(gè)二自由度的直線型氣動(dòng)肌肉，可抓取3kg物體。可用在自動(dòng)化生產(chǎn)線甚至水下作業(yè)，代替潛水員做一些危險(xiǎn)工作。

1.2探測(cè)、搜救領(lǐng)域

哈佛大學(xué)設(shè)計(jì)了一款四足運(yùn)動(dòng)機(jī)器人[4]，利用氣壓驅(qū)動(dòng)材料和Pneu-Net驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生大范圍柔性變形，具有很高的強(qiáng)度和負(fù)載能力，能在濕雪地，泥濘路面、火焰、高壓等環(huán)境下運(yùn)動(dòng)。斯坦福大學(xué)研發(fā)了一款軟體機(jī)器人Vine-link robot[5]，全身被薄的軟塑料包裹成管柱體，部分部件向內(nèi)折疊。驅(qū)動(dòng)時(shí)將內(nèi)部褶皺展開(kāi)，使軀體延伸并按照設(shè)定方向移動(dòng)。它可以舉起100 kg的木箱，以各種蜿蜒曲折的姿態(tài)通過(guò)不同的障礙物，并可以抵御火焰的高溫。

德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校的研究人員研發(fā)了一種仿生水母軟體機(jī)器人。該機(jī)器人的主要運(yùn)動(dòng)機(jī)制是通過(guò)向機(jī)器人下方噴射流體產(chǎn)生反作用力，推動(dòng)其在水中運(yùn)動(dòng)，哈佛大學(xué)在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，使用新型柔性氣動(dòng)復(fù)合執(zhí)行器架構(gòu)，可獲得較大的瞬時(shí)推力，實(shí)現(xiàn)垂直方向上的快速游動(dòng)。該氣動(dòng)軟體機(jī)器人實(shí)現(xiàn)具備一定載荷的快速垂直游動(dòng)，未來(lái)或可用于水下快速救援、資源勘探、水下地形勘測(cè)等方面。

1.3臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

哈佛大學(xué)將充氣式軟體機(jī)器人應(yīng)用到了醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，將軟體機(jī)器人制成套狀結(jié)構(gòu)，放置在心臟周?chē)掷m(xù)為衰竭的心臟提供動(dòng)力，該機(jī)器人不會(huì)與血液接觸，降低了血管阻塞的風(fēng)險(xiǎn)，未來(lái)或可應(yīng)用于臨床維持人體心臟的跳動(dòng)。人們還希望能直接將藥物送至人體內(nèi)傷口或病原處，目前已在研究可用于人體腸道內(nèi)窺鏡的氣動(dòng)軟體機(jī)器人，減少電子內(nèi)窺鏡剛性機(jī)械零件對(duì)人體腸道造成的傷害，并可對(duì)復(fù)雜腸道進(jìn)行全面檢測(cè)。

2未來(lái)發(fā)展

氣動(dòng)軟體機(jī)器人在強(qiáng)輻射、電磁場(chǎng)、多灰塵等惡劣環(huán)境下具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，柔性充氣結(jié)構(gòu)被廣泛用于人們探索世界以及社會(huì)生活的進(jìn)程中。航空航天應(yīng)用的大型充氣展開(kāi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制備涉及的領(lǐng)域較多，主要包括化學(xué)材料、包裝展開(kāi)技術(shù)、表面工程、工程測(cè)量、動(dòng)力學(xué)以及氣動(dòng)建模仿真等。氣動(dòng)軟體機(jī)器人還可以與工人一起工作，在裝配行業(yè)可以高效配合人們完成分揀物體、裝配，在服務(wù)行業(yè)可以安全可靠地端茶遞水，準(zhǔn)備食物等。在很多行業(yè)可以代替人類(lèi)為企業(yè)省下勞動(dòng)力。甚至在課堂上，氣動(dòng)軟體機(jī)器人系統(tǒng)的模塊性和軟性使得它成為一個(gè)潛在的有價(jià)值的教育工具。機(jī)器人可以充當(dāng)形狀顯示，動(dòng)態(tài)改變形狀，作為一種高刷新率的3D打印機(jī)。充氣式軟體機(jī)器人除已應(yīng)用的領(lǐng)域外，也將為其他領(lǐng)域提供思路，能夠?yàn)楹教炱鞔笮突p量化的發(fā)展目標(biāo)、高效能減速器的設(shè)計(jì)、太空旅館概念的實(shí)現(xiàn)提供可行的技術(shù)途徑。同時(shí)， 充氣結(jié)構(gòu)也用在飛艇、無(wú)人機(jī)等領(lǐng)域， 可在信息獲取方面發(fā)揮至關(guān)重要的作用。未來(lái)將是一個(gè)“可折疊的輕量化”時(shí)代。

參考文獻(xiàn)：

[1]管清華，孫健，劉彥菊等.氣動(dòng)軟體機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J].中國(guó)科學(xué)：技術(shù)科學(xué)，2020，50（07）：897-934.

[2]SALISBURY J K，ROTH B.Kinematic and force analysis of articulated mechanical hands [J].Journal of Mechanical Design，1983，105（1）：287-294.

[3]徐豐羽，孟凡昌，范保杰等.軟體機(jī)器人驅(qū)動(dòng)、建模與應(yīng)用研究綜述[J]南京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）2019，39（3）：64-75.

[4]TOLLEY M T，SHEPHERD R F，MOSADEGH B，et al.A resilient，untetherrd soft robot[J].Soft Robotics，2014，1（3）：213-223.

[5]徐豐羽，孟凡昌，范保杰等.軟體機(jī)器人驅(qū)動(dòng)、建模與應(yīng)用研究綜述[J]南京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）2019，39（3）：64-75.

作者簡(jiǎn)介：

李雅菲，女，生于2000年4月，漢族，山西長(zhǎng)治人，江蘇大學(xué)本科在讀，測(cè)控技術(shù)與儀器專(zhuān)業(yè)

汪霞，生于1999年4月，漢族，貴州遵義人，江蘇大學(xué)本科在讀，測(cè)控技術(shù)與儀器專(zhuān)業(yè)

姚啟桂，生于1998年12月，漢族，貴州遵義人，海南熱帶海洋學(xué)院本科在讀，環(huán)境設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)

基金項(xiàng)目：江蘇大學(xué)第18批大學(xué)生科研課題立項(xiàng)資助項(xiàng)目

項(xiàng)目編號(hào)：18A178