具有多地形運動能力的雙模塊軟體機器人

王宇軒， 劉朝雨， 王江北， 費燕瓊

(上海交通大學 機器人研究所，上海 200240)

當傳統的剛體機器人與自然環境互動時，存在一些安全隱患. 同時，剛體機器人的環境適應性差，在運動靈活性上有所欠缺. 由柔性材料制成的軟體機器人可以彌補剛體機器人的不足，具有安全性好、操作方便、運動靈活、適應性強的特點[1-3].文獻[4]研究了一種能夠爬過障礙物的4條腿軟體機器人.受螃蟹爬行行為及其結構特征的啟發，他們開發了一種能夠運送物品的軟體機器人，該機器人可跨越低矮障礙物.文獻[5]基于改進的介電彈性體(DE)最小能量結構致動器開發了一種類似環節動物的軟體機器人.文獻[6]提出了一種水凝膠機器人，其可以在水中平坦或傾斜的表面上快速行走.如今關于軟體機器人的研究日益增多，但對具有多地形運動能力的軟體機器人的研究還鮮有耳聞.

目前，現有的多地形機器人，如足式或輪式機器人，不具備攀爬能力，無法實現立體機動，限制了其在極端環境中的應用.現有爬管機器人應用范圍非常有限，僅能在管內或管外進行移動，并且部署流程繁復.文獻[7]提出了一種由3個可伸縮的氣動軟體驅動器和兩個柔性足組成的并聯軟體爬管機器人，但其體型較大、質量較重，只能在大型管道內部爬行，無法在外部爬行.文獻[8]開發了具有跳躍和爬行功能的軟體爬管機器人，但其無法在其他復雜地形中運動.文獻[9]設計的一種輕型軟體機器人，能夠實現在地面上爬行和越障，但由于體型過小而無法搭載傳感器.文獻[10]提出了一款執行災害響應任務的兩棲全地形移動機器人，其能夠爬上0.3 m的臺階、樓梯和雪坡，但受限于輪式而無法實現攀爬運動.文獻[11]提出了一種3D打印機器人和一種波紋柔性腿，其能夠繞兩個軸旋轉，該機器人能夠將腿抬離地面5.3 cm，并且能夠以20 mm/s的速度行走，但該波紋軟腿無法完成攀爬運動.文獻[12]設計了一種用于核電站管道和石油化工綜合管道檢測的遠程控制剛體爬管機器人，但其體型大、質量重，只能在大型管道外部爬行.

針對現有爬管機器人應用范圍有限、運動場景單一、多地形運動機器人無法攀爬、空間運動受限等問題，本文提出一種新型的雙模塊軟體機器人設計，該機器人由兩個軟體模塊組成，質量輕、體積小，采用旋轉運動模式可實現機器人在管道外側、斜坡、草地、崎嶇路面等多種復雜地面環境中的運動.

1 雙模塊軟體機器人的設計

為了實現全向彎曲功能，軟驅動器氣室需要沿周向分布.理論上，3個沿圓周分布的氣室可實現全向彎曲功能，但是隨著氣室數量的增加，彎曲角度的變化將更為平滑.若氣室數量太多會導致結構復雜，不利于生產加工，因而本模塊化軟體機器人采用4個氣室設計.氣室截面設計為圓形，圓形氣室膨脹時應力、應變分布更加平衡，具有更強的耐用性.

通過理論計算和有限元仿真，綜合考慮模具加工難度、限制層的生產標準、制作誤差、運動范圍、驅動器質量和體積以及驅動器結構強度后，獲得單個驅動器的模型參數.驅動器的外徑為20 mm，氣室橫截面為半徑為 2 mm 的圓，其圓心與直通式驅動器軸線的距離為 5.5 mm, 氣室壁的最小厚度為 2.5 mm, 直通式驅動器長度為100 mm，中心具有限制絲，制作材料為 Dragon skin 20 型硅橡膠.軟體模塊的設計如圖1所示；驅動器截面如圖1(a)所示，為表述清晰，將氣室1～4進行編號.

圖1 軟體模塊的設計Fig.1 Design of soft module

雙模塊軟體機器人由兩個全向彎曲軟體模塊組成，每個全向彎曲軟體模塊由一個驅動器、兩個由低硬度硅膠制成的軟體齒輪、兩個JY901S姿態傳感器、一根中心限制線、兩個傳感器支架、兩個密封層以及4根氣管組成(見圖1(b)).其中，軟體齒輪的作用是增大雙模塊軟體機器人的運動速度.當軟體齒輪受到壓力時，齒輪外側產生接觸變形，增大了接觸面面積，提高了摩擦系數，同時軟體齒輪增大了雙模塊軟體機器人的外徑，能夠提升雙模塊軟體機器人運動速度.

雙模塊軟體機器人由底部傳感器支架連接的兩個全向彎曲軟體模塊組成，在頭部、中部、尾部安裝了3個姿態傳感器.傳感器的電源線和信號線為螺旋形，能夠適應不同方向的彎曲.雙模塊軟體機器人的總有效彎曲長度為180 mm，不包括密封層的厚度，如圖2所示.

圖2 雙模塊軟體機器人Fig.2 Dual module soft robot

2 單模塊軟體驅動器運動分析

軟體模塊具有兩個運動功能，常規的全向彎曲功能和新型的旋轉運動功能.全向彎曲本質上是多個氣室彎曲角度和彎曲角度的合成.首先，對單氣室充氣彎曲機理進行定性分析，假設驅動器軸線部分為不可伸縮但能自由彎曲的限制絲，并假設其端面為剛性端面.對驅動器右側的剛性擋板進行靜力分析，如圖3所示.其中：M1為擠壓彎曲力矩；M2為排斥彎曲力矩；F1為充氣氣室對擋板的擠壓力；F2為未充氣氣室對擋板的排斥力；FT為限制絲拉力；l1為充氣氣室對擋板擠壓力的力臂.由圖4可知，上側氣室充氣膨脹，其沿軸線方向的膨脹力可表示為

(1)

圖3 彎曲力矩來源示意圖Fig.3 Schematic diagram of source of bending moment

M1=F1l1

(2)

可知，要增大彎曲力矩，可選擇增大擠壓力或增長等效力臂.

由單氣室彎曲變形機理可知，驅動器的彎曲力矩主要由氣室對擋板的擠壓力產生.由驅動器結構的對稱性可知，擠壓力合力的作用點位于通過氣室圓心和驅動器中心的對稱軸上，如圖4(a)所示.彎曲力矩的方向由充氣氣室圓心指向驅動器中心，雙氣室同時充氣時驅動器的彎曲力矩為兩個氣室的合彎曲力矩.合力矩方向與兩個氣室產生的彎曲力矩的相對大小有關，而合力矩大小由兩個氣室氣壓的大小決定.易知合力矩方向為驅動器的彎曲角度，通過控制不同氣室間氣壓的大小，可以使驅動器朝任意方向進行彎曲，實現全向彎曲運動.氣室編號及彎曲角度示意圖如圖4(b)所示.當1號氣室進行充氣時，驅動器將向x正方向彎曲，定義此時的彎曲角度為θ=0°；當2號氣室充氣時，驅動器將向y正方向進行彎曲，定義此時的彎曲角度為θ=90°.若1號氣室和2號氣室同時充氣，則彎曲角度將在 0°～90° 范圍內，具體的彎曲角度由兩個氣室的氣壓決定.

圖4 彎曲分析示意圖Fig.4 Diagram of bending analysis

驅動器的旋轉運動是基于自身的全向彎曲運動的，旋轉運動功能的實現依賴于彎曲角度的連續變化.驅動器4個氣室的氣壓變化規律如圖5所示，其中：t為時間；T為一個充氣周期.充氣模式能夠使驅動器的彎曲角度從0° 連續變化到 360°.假設彎曲角度始終保持不變，這種彎曲角度的連續變化如圖6(a)所示.以直通式驅動器底部(紅色圓圈)為參考系，隨著彎曲角度θ從0° 增加到360°，驅動器頂部的運動軌跡恰好是一個圓，但這種形式的旋轉運動不適用于多地形運動.以驅動器的軸線(紅色曲線)為參考系，則整個驅動器的運動可以被看作為繞軸線的旋轉運動, 如圖6(b)所示.旋轉軸的彎曲程度可通過調整驅動器的彎曲角度來進行控制.

圖5 驅動器4個氣室的氣壓變化規律Fig.5 Pressure change pattern of four air chambers of actuator

圖6 直通式驅動器的旋轉運動示意圖Fig.6 Schematic diagram of rotary movement of straight-through actuator

基于上述旋轉運動和彎曲運動，單個驅動器具備多地形運動能力.在平地、沙地、草坪、斜坡等地形進行移動時，驅動器與環境之間的接觸壓力由重力提供.在爬管運動時需要通過直通式驅動器的彎曲產生接觸壓力.驅動器各部分的旋轉方向不同，產生的摩擦力方向也不同.

單個直通式驅動器豎直爬管運動過程的受力情況如圖7所示.其中：Mr為直通式驅動器進行旋轉運動時的旋轉力矩；G為直通式驅動器受到的重力；Fc為直通式驅動器纏繞管道外壁產生的抱緊力，抱緊力的方向是由驅動器截面圓心指向管壁的法向方向；Fn為管道對直通式驅動器的反作用力；Ff為直通式驅動器與管道外壁之間的靜摩擦力；r0為直通式驅動器的外徑.

圖7 直通式驅動器豎直爬管運動過程的受力情況示意圖Fig.7 Schematic diagram of forces of straight through actuator during vertical pipe climbing movement

爬管機器人克服重力沿豎直管道攀爬需要滿足下列條件：

(3)

式中：ma為直通式驅動器質量；g為重力加速度；μ為直通式驅動器與管道外壁之間的摩擦因數.從上述不等式可知，為了實現爬管運動有3個要點：① 增大直通式驅動器和管道壁之間的摩擦因數；② 增大直通式驅動器在爬管過程中的抱緊力，使其盡可能緊地纏繞在管道外壁上；③ 直通式驅動器要能夠輸出足夠的旋轉力矩.其中，直通式驅動器的抱緊力和旋轉力矩間存在耦合性，通過實驗發現，爬管運動主要受抱緊力影響，當抱緊力滿足爬管條件時，旋轉力矩也自動滿足爬管條件.

圖8 雙模塊軟體機器人爬行運動示意圖Fig.8 Schematic diagram of dual modular soft robot climbing

3 雙模塊軟體機器人步態控制方法

雙模塊軟體機器人具有柔順性好、適應能力強的特點，通過對運動步態進行設計，雙模塊軟體機器人在開環控制下可簡單快速地實現良好的運動效果.

雙模塊軟體機器人的控制系統如圖9所示，其由氣路系統和電路系統組成，其中：USB為通用串行總線，用于電腦與微控制器的連接和通信；GND為電路接地端；K1，K2，…，K8為8個繼電器，每個繼電器控制一個微型電磁閥的開關；EV1，EV2，…，EV8為8個微型電磁閥，每個微型電磁閥控制一個氣室的充放氣.控制系統主要包含電源、氣泵、減壓閥、微型電磁閥、姿態傳感器和微控制器.

圖9 雙模塊軟體機器人控制系統Fig.9 Control system of dual modular soft robot

雙模塊軟體機器人采用通過調節充放氣過程的氣體流量來實現對氣室氣壓的間接控制，通過脈沖寬度調制(PWM)波對二位三通電磁閥的通斷進行控制，從而實現不同步態.通過調節PWM波的占空比，可以調節充電時間和放電時間的比率，調節氣室中的氣壓.其中，二位三通電磁閥使用的是SMC S070C-5DC-32微型電磁閥，其主要參數如表1所示.其中：Ue為電子閥額定電壓；pmax為電子閥最高使用壓力；mSMC為電磁閥質量；PSMC為電磁閥功耗；t1為通電響應時間,t2為斷電響應時間, 響應時間是最高工作壓力和額定電壓下的值.

表1 SMC S070C-5DC-32 性能參數Tab.1 Performance parameters of SMC S070C-5DC-32

根據響應時間，電磁閥的最大工作頻率約為160 Hz.當使用PWM波控制電磁閥時，由于占空比的影響，電磁閥的工作頻率應遠低于160 Hz.假設PWM波的頻率為f1，則單個周期的長度為1/f1.如果占空比為d1，則PWM波的占空比和頻率應滿足以下不等式：

給定頻率下占空比需滿足：

1-t2f1>d1>t1f1

(6)

腔室壓力由PWM波的占空比決定，因此占空比的范圍決定了腔室壓力的調節范圍.根據式(6)，為了獲得更大的氣壓調節范圍，PWM波的頻率不宜過高.經測試，當PWM波的頻率低于30 Hz時，氣室內氣壓的抖動明顯，調節效果差.當占空比為15%～90%時，8個電磁閥可以正常工作.實驗所用 PWM 波頻率為 30 Hz, 有效占空比范圍為15%～90%.對于超出有效范圍的占空比做飽和處理，當占空比大于90%時設定占空比為90%，當占空比小于15%時設定占空比為15%.腔室壓力決定了驅動器的彎曲角度，而腔室壓力又由PWM波的占空比決定.于是，在200 kPa的供氣氣壓下，依次對各氣室進行充氣測試，得到了驅動器彎曲角度與PWM波占空比之間的關系，通過線性處理后，得到如圖10所示的關系曲線.

圖10 彎曲角度與占空比關系Fig.10 Bending angle versus duty ratio

在步態控制方法中，兩個軟體模塊采用的控制信號完全相同，因此運動規律也完全相同.以爬管步態為例，基于以上思想，設計了如圖11所示的爬管步態.其中一個軟體模塊的1～4 號氣室的分布與另一軟體模塊的 5～8 號氣室相對應.

圖11 爬管步態下的氣室充放氣模式 Fig.11 Air chamber inflation and deflation pattern of pipe-climbing gait

圖12 步態控制方法下雙模塊軟體機器人抱緊力及彎曲角度示意圖Fig.12 Schematic diagram of bending angle and direction of dual modular soft robot under gait control strategy

假設雙模塊軟體機器人與管道外壁之間無打滑現象，則雙模塊軟體機器人的爬管速度可以由下式求出：

(7)

式中：r1=25 mm，為軟齒輪半徑.增加軟體齒輪外徑和減小周期長度都能提高雙模塊軟體機器人的爬管速度，但當周期長度低于一定范圍后，單次充放氣過程無法在 1/8 個周期內達到穩態，將對爬管運動的穩定性產生負面影響.

多地形運動都可采用如圖11所示的運動步態，只需在步態周期開始前對輸入氣壓進行調整即可.

4 軟體機器人多地形運動實驗

4.1 轉向實驗

雙模塊軟體機器人能實現單模塊驅動器無法完成的轉向功能.雙模塊軟體機器人轉彎運動過程如圖13所示.轉彎運動步態的分為5個階段：① 左側模塊充氣彎曲使雙模塊軟體機器人不易翻倒；② 右側模塊向上彎曲離開地面；③ 右側模塊朝斜上方彎曲；④ 右側模塊回到地面；⑤ 同時減小兩個模塊的彎曲角度.至此，模塊完成了向左轉彎.雙模塊軟體機器人轉向運動的原理為：右側模塊在階段③不與地面接觸不受摩擦力影響，但是在階段⑤會受到地面的摩擦力，兩個階段受到的外力無法抵消，導致雙模塊軟體機器人發生偏轉.雙模塊軟體機器人一個周期轉過的角度由階段③右側模塊轉過的角度決定.

圖13 雙模塊軟體機器人轉彎運動過程Fig.13 Turning movement process of dual modular soft robot

4.2 爬管實驗

雙模塊軟體機器人通過自身的旋轉運動來實現垂直爬管運動，這個過程中需要維持足夠大的抱緊力.實驗中通過步態控制方法，控制雙模塊軟體機器人實現穩定快速的垂直攀爬運動.通過實驗發現，當步態周期為12 s時，雙模塊軟體機器人能達到較快攀爬速度.機器人垂直攀爬實驗如圖14所示，其可在6種管道環境實現垂直攀爬，具體實驗數據如表2所示.其中，管道采用聚氯乙烯(PVC)材質.

圖14 垂直攀爬實驗Fig.14 Experiment of vertical climbing

表2 不同攀爬環境下的垂直移動速度Tab.2 Vertical movement speed in different climbing environments

4.3 爬坡試驗

爬坡實驗的主要實驗裝置為一個角度可調的斜坡，斜坡表面為聚氨酯(PU)材質.在不同斜度下，使用周期為 12 s的步態控制方法驅動雙模塊軟體機器人完成爬坡運動，在實驗中選取的斜坡最大角度為28°.實驗表明，雙模塊軟體機器人在28° 斜坡上的平均速度約為 7.1 mm/s.具體的爬坡過程如圖15所示.

圖15 爬坡運動過程Fig.15 Process of slope-climbing

4.4 越障實驗

越障實驗中，使雙模塊軟體機器人分別在木地板、人造草皮、碎石路面進行運動，以研究其在復雜地形中的移動能力.其中碎石路面如圖16所示，分為兩段，兩段碎石路面的碎石大小分別為： 6～9 mm、10～20 mm.碎石路面爬行過程如圖17所示.越障測試中使用周期為8 s的步態控制方法，實驗結果如表3所示.

表3 不同地形下的運動速度Tab.3 Movement speed in different terrains

圖16 碎石路面運動測試Fig.16 Movement test on gravel road

圖17 碎石路面爬行過程Fig.17 Creep process on gravel pavement

5 結語

本文提出了一種新穎的具備多地形運動能力的雙模塊軟體機器人，每個軟體模塊由四氣室全向彎曲軟體氣動驅動器組成；建立全向彎曲軟體驅動器的彎曲模型，分析了全向彎曲軟體驅動器彎曲角度的變化規律；提出了一種新型的旋轉運動模式，該機器人能通過旋轉運動模式在多種復雜環境中運動；針對模塊化軟體機器人柔順性好的特點，提出了一種不依賴傳感器的模塊化軟體機器人步態控制方法，能夠更加簡單快速地實現多地形運動功能，并通過實驗驗證了其可行性.該雙模塊軟體機器人能在多種地形下進行穩定快速的運動，具有極強的適應性，在管道檢測和復雜地形探測等方面具有潛在的應用價值.