仿生藤蔓可任意伸縮轉向的軟體機器人

顏于博 張桂臣 劉雁集 張徐揚 侯雨碩 寇子怡

（1.上海海事大學 物流工程學院，上海 201306；2.上海海事大學 商船學院，上海 201306；3.上海海事大學 交通運輸學院，上海 201306）

軟體機器人具有獨到的特性和使用場景。對傳統的剛性機器人而言，它精準的運動控制、成熟的技術發展是明顯優勢，但是其使用的傳統機械結構也帶來了一定的劣勢，如對環境的適應性差、容錯率低，在一些細微、復雜的使用場景往往因為尺寸問題無法使用。因此，小尺寸、便捷的可伸縮軟體機器人逐漸成為研究熱點[1]。

軟體機器人通常由可連續變形的柔性材料制成，可在更大范圍內改變自身形狀和尺寸，以到達機器人工作空間的任意位置[1]。通常軟體機器人設計的主要問題是如何實現機器人的運動和機器人自生長即可任意伸縮轉向的問題，因此需要結合仿生技術開展相關研究。伴隨機器人技術的發展，越來越多的仿生機器人憑借自身優異的性能在實際應用中表現出色，使得仿生研究成為重點開發方向[2]。譬如：韓奉林等研發的仿尺蠖機器人，通過仿生尺蠖的運動，不斷充氣、吸附、放氣實現機器人的向前運動[3]；達文升等研發的電磁耦合驅動機器人，基于摩擦法的電磁變剛度方法實現了機器人的驅動[4]；柴延輝等設計的仿蠕蟲柔性機器人，通過三腔式結構實現全方位運動[5]。

生活中，在醫療、汽修、警用領域常見的內窺鏡，即一根頂端帶有微型高清近焦攝像頭通常由軟管包覆的信號傳輸線纜，是本文軟體機器人形態的基礎來源[6]。為實現可任意伸縮轉向功能，結合對日常生活中手套薄膜的內翻充氣現象的研究，設計了仿藤蔓植物生長的機器人，如直徑小至幾微米的真菌菌絲和周長大至1 m的藤本植物。這些生物由它們的尖端生長開始，最終長度增加數百倍，并根據環境刺激不斷控制生長方向。因為從頂端開始延伸的延長不涉及其余身體相對于環境的運動，所以身體可以沿著受約束的路徑延長。此外，因為尖端的每次運動導致身體的方向受控伸長，所以身體沿著尖端生長的路徑形成三維（3 Dimensions，3D）結構，如植物的篩管結構和導管結構。

與內窺鏡進入環境部分長度的改變在使用途中伴隨著整個“身體的運動”不同，本文的機器人采用從尖端“生長”的方案，即使用充氣薄膜的充氣和對氣體的控制，實現柔性薄膜的伸展。因此，仿生藤蔓植物機器人可以在工作原理上克服內窺鏡的運動控制和穩定性欠佳的問題。此外，仿生導管、篩管的中空結構也為軟體機器人實現信號傳輸帶來了可能。

1 軟體機器人主體結構設計

軟體機器人由主體部分、氣泵、氣閥和柔性薄膜組成。本文使用了SolidWorks軟件對機器人主體部分進行建模并裝配，如圖1所示。其中，主體部分由電機、杯體、杯蓋、卷軸、旋轉軸和連接器組成。

圖1 軟體機器人主體結構示意圖

卷軸部分用于纏繞柔性薄膜，并在電機轉動時不斷放松輸送薄膜，由上下兩個圓盤和中間一根打孔的圓柱組成。圓柱中間的孔洞和旋轉軸上的孔洞通過銷連接。旋轉軸通過連接器與電機連接，如圖2所示。杯體杯壁上留有空洞，用于氣泵氣體的輸入。輸入杯體的氣體用于直接驅動柔性薄膜中翻折的腔室。

圖2 卷軸與旋轉軸裝配示意圖

在柔性薄膜的腔室材料分析中，軟體機器人伸縮部分的材料應具有足夠的密封性，且能承受一定的壓力，遵循基本原則。只要可以在壓縮空氣的推動下能夠從尖端延伸，就能使機器人實現任意轉向伸縮。因此，綜合考慮后本文選用了聚乙烯（Polyethylene，PE）高壓塑料作為原材料。如圖3所示，這種材料造價便宜且輕便，可以定制成各種樣式，用于各種場合。

圖3 PE高壓塑料實物

1.1 機器人伸縮原理

伸縮原理基于一個生活現象，即當使用一次性手套時，一些手套的指頭部分會向內翻卷，此時可以通過吹氣使指頭部分完全向外展開，這一過程可以看作是手套指頭的“生長”。在本文設計中，使用一個氣動泵來驅動PE高壓塑料薄膜實現這一原理，如圖4所示。該氣動泵對內翻的PE高壓塑料薄膜內部進行加壓[7]。薄膜加壓設計在延長尖端的同時，能顯著改變整體長度。因為未充氣的PE塑料整體很薄，體積很小，因此可以大量圍繞在旋轉的卷軸上。存儲方式類似于生活中常見的透明膠帶、卷尺等。

圖4 薄膜伸縮原理

這樣的設計使得機器人的長度變化具有高度可塑性，因為總伸長長度的上限與線軸上塑料薄膜數量、線軸的直徑以及材料特性息息相關。本文使用的PE塑料薄膜厚度約為0.5 mm，轉軸本身直徑為30 mm，意味著充滿氣體的狀態下10 m長的塑料薄膜在未充氣時的收納體積僅為直徑不到40 mm的圓盤。

1.2 機器人轉向原理

汽車在過彎轉向時彎道外側的輪子轉速更高，速度更快。如果該機器人身體兩側“生長”的速度不對稱，那么尖端會向“生長”慢的一側彎曲。通過控制兩側“生長”的相對速度，可以控制彎曲的方向和速度。在自然界，這一現象類似于藤蔓植物的趨光性生長，即兩側植物細胞接受的生長素不均勻導致生長速度存在差異。本文設計正是仿生這一現象，當主體從卷軸中被充氣釋放的同時，可以選擇性地使主體的一側伸長速度相對于另一側快速實現彎曲。沿著機器人身體側面延伸的小控制室充當控制輸入，當腔室中的一個被充氣時，機器人身體從該側的尖端向外翻的部分將被加長。

本文機器人的柔性薄膜部分由5個氣室構成，如圖5所示，其中上下左右4個氣室與中心最大的氣室膠黏合，負責控制“生長”的方向。例如，當右通道充氣時，尖端的右側變長，導致整體左轉。因此，通過控制控制室的相對氣壓，實現身體的轉向。這種方法既高效又簡單，不需要使用任何驅動器即可實現本體轉動。轉彎是在分段的同時產生的，每一次轉彎都是永久性的，就像正在趨光性生長的藤蔓植物。機器人尖端運動方向改變的原理如圖6所示[7]。

圖5 薄膜截面氣室

圖6 柔性機器人尖端運動方向改變原理

2 軟體機器人工作流程

機器人的工作流程如圖7所示。根據機器人薄膜構造的特點，想要各方向完整驅動“生長”構造，需要5個不同的氣體輸入——身體的主要伸長和4個運動方向的控制。考慮結構的簡潔性和易使用性，本文采用1個氣泵搭配5個氣閥的組合。前4個氣閥通過氣管直接與薄膜周圍的4個氣室相連，最后1個氣閥通過軟管與機器人杯體上的孔洞相連，負責主體伸長的驅動，如圖8所示。

圖7 軟體機器人工作流程

圖8 氣閥組實物

實際工作時，先由氣泵泵出氣體貯存在氣罐中，隨后手動打開運動方向對應的氣閥，同時電機工作，送出柔性薄膜。

使用SolidWorks軟件對模型進行管道模擬，如圖9所示。在遇到第一個彎折管道時，薄膜的上氣室迅速充氣而下氣室少量充氣或者不充氣，連接杯體的氣閥勻速充氣，即可實現柔性薄膜的向下運動。在遇到第二個彎折管道時，薄膜的下氣室迅速充氣而上氣室少量充氣或者不充氣，連接杯體的氣閥勻速充氣，即可實現柔性薄膜的向上運動。

圖9 柔性機器人通過管道模擬

3 實物實驗分析

基于三維模型的構建搭建實物，并對主體的向前伸長功能進行測試。如圖10所示，選用的柔性薄膜截面為圓形，并未包含其余控制方向的氣室。使用時先將柔性薄膜制作成較長的手指套形狀，并將開口處套住杯體外壁黑色部分，套牢后使用不漏氣的密封黏膠固定，然后將頂端向內內翻，使得其余部分進入杯體并纏繞在卷軸上。此時可手動纏繞薄膜，也可以使用電機加速薄膜的纏繞。纏繞完畢后蓋上底座杯蓋，檢查氣密性，無誤后可打開分流氣閥，開始充氣。

圖10 柔性機器人實驗實物

圖11為剛開始未充氣時柔性薄膜的自然伸展長度，使用膠帶進行標注，以便與充氣伸長后進行對比，可以看出柔性薄膜與地板的相對位置。

圖11 未充氣尖端初始長度標記

如圖12所示，擰開氣泵開關，氣泵開始工作，為氣罐儲氣。一段時間后，待氣罐氣體充滿后，根據需求打開對應的分流閥（此處為主氣室閥）與電機開關。電機開始轉動，氣閥中氣體開始注入杯體，最終柔性薄膜在氣壓作用下開始向外伸長。

圖12 柔性機器人操作流程

由圖13膠帶標志與地板的相對位置可以看出，柔性身體的“生長”是尖端的伸長，并不會導致整個身體與環境的相對運動。這驗證了本文對于原理的描述與傳統內窺鏡式的機器人全身體運動不同。該機器人伸長過的部分固定，與環境不產生相對運動，摩擦損耗小，運動更易控制且更加精準。

圖13 柔性機器人充氣伸展后結果

4 結語

針對軟體機器人如何任意伸縮并控制其在各個方向上運動的問題，結合仿生藤蔓植物的生長給出了解決方案，設計了一種以充氣為驅動方式的柔性薄膜機器人，并進行了實物搭建，通過實驗測試驗證了設計的可行性。仿生植物藤蔓的運動方案在解決軟體機器人可任意伸縮轉向的問題上具有高度的可行性和實用性。設計的柔性機器人的上下左右各個腔室為空心結構，對于填充物的要求較低，因此適用范圍廣，可以在現有的陸上機器人的基礎上改變填充物屬性，根據環境實現水下液體填充的拓展功能，研發水下軟體機器人。此外，基于空心結構的設計可以在中間填充線纜，結合單片機的便利性，可以實現圖像或者信號的遠距離傳輸。相比于窺鏡，該軟體機器人的精準性和適用范圍更廣。由于軟體機器人傳動的簡便性，它可以搭配不同的電機使用，兼容性高。對于機器人所用的柔性薄膜來說，材料本身拓展性很高，得益于PE薄膜高度可定制的特性，氣室數量和形狀可以自由更改，如5氣室結構可改變為9氣室結構，圓形截面可以更改成六邊形結構，實現在空間上的多方向運動。它具有優秀的功能性，簡易便攜、造價便宜，在探測、救援領域都能發揮良好作用。譬如，復雜管道的檢修功能、廢墟救援的探測功能以及考古工作的偵察功能等。