紡織基軟體機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與驅(qū)動(dòng)性能研究

楊夢馨 李浩云 Iqbal M Irfan 孫豐鑫

摘要：針對(duì)現(xiàn)有軟體氣動(dòng)機(jī)器人制備成本高、設(shè)計(jì)靈活性差、功率密度低、控制技術(shù)復(fù)雜等問題，文章以鞘芯結(jié)構(gòu)的滌綸/氨綸彈性紗為基材編織針織羅紋組織，以滌綸紗為緯向襯墊紗間隔織入，形成力學(xué)各向異性的針織襯緯組織，并將該襯緯組織作為包覆層與氣囊內(nèi)膽裝配，實(shí)現(xiàn)具有高致動(dòng)應(yīng)變、低能量耗散的高性能紡織基氣動(dòng)機(jī)器人開發(fā)。文章通過力學(xué)性能和驅(qū)動(dòng)變形測試，表征分析了襯緯組織織物層的各向異性力學(xué)特征和針腳排列方式等因素對(duì)軟體機(jī)器人驅(qū)動(dòng)性能、變形特征、輸出力和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響規(guī)律。結(jié)果表明：紡織基軟體機(jī)器人展現(xiàn)了優(yōu)良的彎曲應(yīng)變（彎曲曲率可達(dá)0.27 cm），高的驅(qū)動(dòng)力輸出（13 N/kg）。此外，開發(fā)的紡織基氣動(dòng)機(jī)器人具有低成本、設(shè)計(jì)靈活快捷、操控簡單等優(yōu)勢，可通過編織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和針腳方向的配置實(shí)現(xiàn)多模式的復(fù)雜變形，在可穿戴醫(yī)療康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備和軟體抓取器件等領(lǐng)域具有可觀的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：軟體機(jī)器人；智能驅(qū)動(dòng)器；多模式運(yùn)動(dòng)；醫(yī)療可穿戴；紡織結(jié)構(gòu)；預(yù)編程

中圖分類號(hào)：TS05; TP302.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：10017003（2024）02000108

DOI：10.3969/j.issn.1001-7003.2024.02.001

收稿日期：20230619;

修回日期：20231220

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（12272149;11802104）；中國博士后科學(xué)基金項(xiàng)目（2023M741400）；國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2017YFB0309200）

作者簡介：楊夢馨（1997），女，碩士研究生，研究方向?yàn)榭椢锘鶜鈩?dòng)軟體機(jī)器人。通信作者：孫豐鑫，副教授，fxsun@jiangnan.edu.cn。

軟體機(jī)器人能夠完成傳統(tǒng)剛性機(jī)器人所不能完成的復(fù)雜任務(wù)。與剛性機(jī)器人相比，它們具有靈活性好、順應(yīng)性強(qiáng)、功率密度高、驅(qū)動(dòng)簡單、交互安全等優(yōu)點(diǎn)。因此，軟體機(jī)器人被廣泛應(yīng)用在內(nèi)科手術(shù)操作、農(nóng)業(yè)采摘、柔性機(jī)械手和可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域。

由于氣動(dòng)軟體機(jī)器人響應(yīng)快速、人機(jī)交互性友好、良好的復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性等特性，受到研究者和工業(yè)界的普遍關(guān)注。現(xiàn)有氣動(dòng)軟體機(jī)器人設(shè)計(jì)中最常用的材料是硅基彈性體、聚乙烯彈性膜等，然而，這些彈性體的制作過程一般較為復(fù)雜，固化過程耗時(shí)，且固化后難以循環(huán)和再利用等問題，因而制備成本較高。另外，常見的彈性體膜往往是力學(xué)各向同性的，因而氣體驅(qū)動(dòng)中難以實(shí)現(xiàn)單一方向膨脹，易造成能量的損耗。具有多尺度結(jié)構(gòu)的紡織材料，可以通過結(jié)構(gòu)編程設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)各向異性的力學(xué)性能，為解決該問題提供了途徑。而且紡織品制備工藝成熟、生產(chǎn)效率高，同時(shí)具備好的柔順性、質(zhì)量輕、力學(xué)魯棒性等明顯優(yōu)勢，以及優(yōu)異的觸覺舒適性和親膚性。因此，紡織基軟體機(jī)器人成為人機(jī)交互和可穿戴領(lǐng)域的理想候選者。

現(xiàn)有紡織基軟體機(jī)器人研究主要是將纖維、紗線、織物等應(yīng)變限制器結(jié)合到柔性物體上，當(dāng)驅(qū)動(dòng)膨脹時(shí)，應(yīng)變限制器會(huì)施加限制作用力，控制特定的形狀，如彎曲、扭轉(zhuǎn)、螺旋等。但是，對(duì)于纖維和紗線限制器來說，它們?cè)隍?qū)動(dòng)過程中會(huì)對(duì)彈性體產(chǎn)生剪切作用，導(dǎo)致氣囊破裂并嚴(yán)重降低軟體機(jī)器人的耐用性。在織物限制器方面，哈佛大學(xué)率先提出了針織和機(jī)織復(fù)合使用的彎曲變形軟體機(jī)器人，然而基于傳統(tǒng)織物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器因織物層仍存在多方向相似的彈性而導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)應(yīng)變小和驅(qū)動(dòng)效率低等問題。

鑒于此，本研究將襯緯針織組織引入氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的織物層，并通過改變針腳方向和材料楊氏模量誘導(dǎo)驅(qū)動(dòng)器不同的變形模式，從而實(shí)現(xiàn)軟體機(jī)器人可預(yù)編程的多模式運(yùn)動(dòng)。此外，本研究進(jìn)一步展示了軟體機(jī)器人可用于多種材質(zhì)物體的抓握和人體輔助運(yùn)動(dòng)等應(yīng)用，在智能紡織品和其他醫(yī)學(xué)康復(fù)領(lǐng)域展現(xiàn)了可觀的應(yīng)用前景。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材 料

44.4 dtex氨綸（諸暨利群化纖有限公司），69.9 tex滌綸（青島宏利紗線有限公司），厚度0.3 mm、邵氏硬度25彈性氣囊（常州嬴安楊儀器有限公司），尼龍?jiān)鷰Вㄉ虾Ｒ陨娮涌萍加邢薰荆?/p>

1.2 儀器與設(shè)備

FA507B型環(huán)錠細(xì)紗機(jī)（無錫恒久電器技術(shù)有限公司），HZL-357ZP-C型縫紉機(jī)（日本重機(jī)），Micro LAB-110型高速攝像機(jī)（美國阿美特克），CMT6103型電子萬能試驗(yàn)機(jī)（山東萬辰試驗(yàn)機(jī)有限公司），F(xiàn)A2004N型電子天平（常州市衡正電子儀器有限公司）。

1.3 氣動(dòng)軟體機(jī)器人的制備

1.3.1 各向異性針織護(hù)套層的制備

首先采用FA507B型環(huán)錠細(xì)紗機(jī)紡制氨綸包芯紗，紡紗工藝：以6.6 g/10 m滌綸粗紗、44.4 dtex氨綸絲為原料，紡制15 tex氨綸包芯紗，捻系數(shù)340，總牽伸24倍，后區(qū)牽伸1.1倍，氨綸絲牽伸倍數(shù)3.5倍。細(xì)紗機(jī)工藝參數(shù)：前羅拉隔距 18 mm，后羅拉隔距45 mm，錠速12 000 r/min。基于襯緯結(jié)構(gòu)的各向異性針織物在雙針床電腦橫機(jī)上進(jìn)行編織，以氨綸包芯紗為成圈紗、高模量滌綸紗線為襯墊紗，機(jī)號(hào)E20，編織寬度127 cm。在織造過程中，包芯紗由前后織針間隔鉤住，相互交錯(cuò)，交替形成前后線圈，高模量滌綸紗線嵌入線圈對(duì)之間。通過優(yōu)化襯緯針織物的間隔針跡，可以增強(qiáng)布面的穩(wěn)定性，并保持布面的彈性。最后將滌綸紗線用HZL-357ZP-C型縫紉機(jī)在距兩側(cè)布邊各10 mm的地方縫制一條應(yīng)變限制紗線以形成應(yīng)變梯度誘導(dǎo)彎曲應(yīng)變，再將長方形織物平行于經(jīng)向的兩邊用滌綸紗線縫合在一起形成圓筒形針織護(hù)套。

1.3.2 氣動(dòng)軟體機(jī)器人的組裝

將各向異性襯緯組織的針織護(hù)套層包裹在半徑8 mm、長度200 mm的薄壁圓桶彈性氣囊外，用3D打印機(jī)打印半徑8 mm的導(dǎo)氣管并與氣囊、織物層裝配固定在一起，如圖1所示。為了保證氣密性，氣囊與導(dǎo)氣管間用膠黏接，然后用扎帶環(huán)繞在導(dǎo)氣管和氣囊黏接處并同時(shí)將織物扎結(jié)固定。由于軟體機(jī)器人的裝配是將二維的襯緯織物層采用彈性較低的滌綸線進(jìn)行縫合形成三維管狀形態(tài)，因此縫合線可作為應(yīng)變限制紗。將軟體機(jī)器人有應(yīng)變限制紗線的一側(cè)稱為低彈性區(qū)，其他區(qū)域則稱為高彈性區(qū)，由此使圓柱形驅(qū)動(dòng)器沿著徑向形成模量梯度。連接自主設(shè)計(jì)的氣動(dòng)控制系統(tǒng)，在氣體驅(qū)動(dòng)時(shí)，高彈性區(qū)域優(yōu)先在縱向上產(chǎn)生應(yīng)變，而低彈性區(qū)域被限制應(yīng)變，此時(shí)軟體機(jī)器人形成彎曲變形效果，實(shí)現(xiàn)紡織基彎曲軟體機(jī)器人的構(gòu)建。

1.4 測試與表征

1.4.1 結(jié)構(gòu)與性能測試

拉伸性能測試：將設(shè)計(jì)的襯緯針織物層剪成30 mm×200 mm大小，使用CMT6103型電子萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)織物層進(jìn)行拉伸性能測試，設(shè)置夾持距離100 mm，拉伸速度100 mm/min，預(yù)加張力為1 N，每種樣品分別測試3次，測量值以（平均值±標(biāo)準(zhǔn)差）表示，得到不同織物的應(yīng)力應(yīng)變曲線。

加壓后彎曲曲率表征：使用Micro LAB-110型高速攝像機(jī)拍攝加壓后軟體機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過程，軟體機(jī)器人的初始長度設(shè)為200 mm，根據(jù)比例，測量不同壓力下軟體機(jī)器人的彎曲半徑，算得其彎曲曲率。

加壓后阻斷力測試：將加壓后的軟體機(jī)器人對(duì)FA2004N型電子天平施加壓力，作用時(shí)間5 s，測定充氣后軟體機(jī)器人末端的阻斷力。測試過程中，軟體機(jī)器人的充氣端固定且保持固定端的切線呈水平狀態(tài)，以保證不同壓力下末端初始位置的穩(wěn)定性，從而確保阻斷力測試的可靠性。

1.4.2 多模式運(yùn)動(dòng)性能測試

織物模量對(duì)軟體機(jī)器人性能的影響測試：將三種不同拉伸模量的針織物制成尺寸相同的軟體機(jī)器人，給其施加相同的壓力，對(duì)比不同模量機(jī)器人產(chǎn)生的曲率差異。

織物針腳方向?qū)涹w機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能的影響測試：將織物斜裁為200 mm×50 mm的長方形，對(duì)比其與直裁織物在相同氣壓下產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)性能差異。

軟體機(jī)器人直徑對(duì)其運(yùn)動(dòng)性能的影響測試：將織物斜裁為上底邊50 mm、下底邊100 mm、高300 mm的梯形，并裝配成軟體機(jī)器人，觀察其在同一氣壓下不同直徑處的曲率。

1.4.3 運(yùn)動(dòng)和變形性能測試

機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)性能測試：使用軟體機(jī)器人加壓后產(chǎn)生的彎曲運(yùn)動(dòng)輔助機(jī)械臂手肘進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，首先將軟體機(jī)器人固定于人體假肢模型，之后通過增減驅(qū)動(dòng)氣壓來驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器，并觀測不同氣壓下人體假肢的抬起高度。

軟體機(jī)器人末端運(yùn)動(dòng)軌跡測試：將具有多種運(yùn)動(dòng)軌跡的軟體機(jī)器人連接在一起，將其垂直懸掛，使用視頻分析工具（Tracker）記錄軟體機(jī)器人尖端在X、Y和Z方向上的軌跡，以確定軟體機(jī)器人的彎曲和扭曲行為。

軟體機(jī)器人抓握力測試：使用FlexiForce柔性力傳感器作為位于軟體機(jī)器人末端和被抓握物體之間的探針，測得在不同壓力下軟體機(jī)器人夾持物體時(shí)的抓握力，每種壓力下作用時(shí)間為5 s，記錄5 s內(nèi)的平均抓握力作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2.1 織物結(jié)構(gòu)與拉伸各向異性

軟體機(jī)器人主要由兩部分組成：一個(gè)管狀的薄壁彈性氣囊，作為基本的氣動(dòng)通道；另一個(gè)是基于針織襯緯組織形成的紡織護(hù)套，其包裹在彈性氣囊外側(cè)，限制氣囊充氣后的形變。通過調(diào)控紡織結(jié)構(gòu)可獲得紡織品不同方向的差異性彈性模量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)軟體機(jī)器人的變形的調(diào)控。本研究主要探討通過針織結(jié)構(gòu)的各向異性設(shè)計(jì)和針腳方向?qū)崿F(xiàn)軟體機(jī)器人不同的驅(qū)動(dòng)變形。

常見的緯編針織結(jié)構(gòu)（如羅紋針織物）在經(jīng)向和緯向均具有良好的彈性，因而在受力時(shí)在各個(gè)方向均易發(fā)生顯著的拉伸變形。本研究在羅紋針織線圈的緯向引入低彈性的襯墊紗（圖2），限制了織物在緯向的拉伸變形，使緯向獲得高模量；然而織物的經(jīng)向仍然保持了優(yōu)異的拉伸彈性，并且緯向拉伸應(yīng)變的限制反而在織物受到雙軸拉伸時(shí)不受緯向伸長的影響，而促進(jìn)其經(jīng)向的彈性。本研究定量比較了沿?zé)o襯墊紗方向（經(jīng)向）的織物拉伸性能與沿著襯墊紗方向（緯向）的織物拉伸性能，如圖3所示。由圖3可見，在應(yīng)變小于200%的拉伸過程中，緯向模量是經(jīng)向模量的100多倍，展現(xiàn)了襯緯針織物突出的各向異性力學(xué)彈性。

2.2 紡織基軟體機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)性能

將力學(xué)各向異性的襯緯針織物包裹在圓柱形氣囊外側(cè)，二維織物形成三維管裝需要將兩端拼接縫合，縫合線采用彈性較低的滌綸紗線，因此該滌綸紗線限制驅(qū)動(dòng)器一側(cè)的彈性，在驅(qū)動(dòng)中導(dǎo)致沿驅(qū)動(dòng)器徑向的應(yīng)變梯度，實(shí)現(xiàn)彎曲軟體機(jī)器人的制備。由于外側(cè)包裹的襯緯針織物在其縱向和橫向的各向異性，限制圓柱形軟體機(jī)器人的徑向膨脹，因此在受到氣壓驅(qū)動(dòng)時(shí)，能量主要貢獻(xiàn)于長度方向的伸長。該特性是提升紡織基軟體機(jī)器人驅(qū)動(dòng)效率，提高驅(qū)動(dòng)應(yīng)變的關(guān)鍵。隨著壓力的增大，彎曲軟體機(jī)器人展現(xiàn)了高的輸出力，如圖4所示。由圖4可見，在70 kPa氣壓下，測量的阻斷力超過100 cN，該力值是此軟體機(jī)器人自身質(zhì)量（8 g）對(duì)應(yīng)重力的10倍以上，體現(xiàn)了紡織基軟體機(jī)器人高的質(zhì)量比功率。

為了進(jìn)一步闡釋基于襯緯針織物的軟體機(jī)器人的優(yōu)異特性，本研究進(jìn)一步比較了襯緯針織物和普通緯編針織物制成的氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器在不同壓力下的彎曲驅(qū)動(dòng)變形能力，如圖5所示。由圖5可見，隨著氣壓增加，襯緯針織軟體機(jī)器人表現(xiàn)出更高的靈敏度和更大的彎曲曲率，在60 kPa輸入氣壓下其彎曲曲率可達(dá)0.27 cm；而普通針織物制備的軟體機(jī)器人最大彎曲曲率只能達(dá)到0.044 cm。這歸因于襯緯紗可以限制驅(qū)動(dòng)器的徑向膨脹，避免了能量耗散，使其在不同壓力下徑向膨脹的比例遠(yuǎn)低于軸向伸長的比例。需要指出的是，驅(qū)動(dòng)器的彎曲曲率主要由驅(qū)動(dòng)器內(nèi)外的楊氏模量差決定。隨著供應(yīng)壓力的增加，外部應(yīng)變?cè)龃螅瑢?dǎo)致楊氏模量升高（圖3），從而使驅(qū)動(dòng)器內(nèi)外的楊氏模量差變小。當(dāng)外部楊氏模量接近內(nèi)部楊氏模量時(shí)，彎曲曲率的變化將滿足有限響應(yīng)。因此，隨著供應(yīng)壓力從20～40 kPa的增加，基于三層編織物的驅(qū)動(dòng)器的彎曲曲率急劇增加；而當(dāng)壓力超過50 kPa時(shí)，曲率變化較小，當(dāng)壓力從60 kPa變?yōu)?0 kPa時(shí)，曲率幾乎保持不變（圖5）。此外，將圓柱形彎曲軟體機(jī)器人看成桿元件，其總體彎曲剛度EI受到其固有彈性模量E和桿元件截面慣性矩I的協(xié)同影響，其中截面慣性矩I正比于軟體機(jī)器人直徑的四次冪。由此進(jìn)一步說明徑向膨脹會(huì)增大截面慣性矩而增加其彎曲剛度，進(jìn)而阻礙彎曲驅(qū)動(dòng)變形。因此，通過設(shè)計(jì)沿著軟體機(jī)器人徑向的襯緯紗限制其徑向膨脹變形，從彎曲力學(xué)角度，也是增大其驅(qū)動(dòng)應(yīng)變的重要策略。

對(duì)于基于襯緯針織物的軟體機(jī)器人而言，在具備較好的彎曲柔度和工作能力的同時(shí)，在實(shí)際使用中，循環(huán)性能也是影響其使用周期的關(guān)鍵因素。尤其是在輸入氣壓較大的情況下，過度拉伸可能會(huì)導(dǎo)致軟體機(jī)器人的結(jié)構(gòu)被破壞，從而影響其耐久性。在此，本研究對(duì)該軟體機(jī)器人在高氣壓下（50 kPa）和低氣壓下（10 kPa）進(jìn)行了50次的充氣放氣循環(huán)測試，如圖6所示。由圖6可見，在50次循環(huán)之后，軟體機(jī)器人的阻斷力幾乎不變，表明了該軟體機(jī)器人有較好的循環(huán)驅(qū)動(dòng)效果和優(yōu)良力學(xué)魯棒性，可以很容易地應(yīng)用于實(shí)際中。

2.3 多模式運(yùn)動(dòng)性能分析

通過針腳方向設(shè)計(jì)和不同材料彈性模量選配，實(shí)現(xiàn)軟體機(jī)器人在單一氣源控制下的卷繞、螺旋和彎曲等多模式變形形態(tài)，如圖7所示。在傳統(tǒng)的氣動(dòng)軟體機(jī)器人中，多模式變形往往需要多組氣源和充氣管路的配合才能實(shí)現(xiàn)。為了在柔軟的身體上賦予更復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，可以通過協(xié)同考慮改變織物的纖維/紗線模量和針織針腳方向等幾何參量、力學(xué)參量對(duì)紡織軟體驅(qū)動(dòng)器的變形曲率與運(yùn)動(dòng)模式進(jìn)行簡單的編程設(shè)計(jì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多重運(yùn)動(dòng)形式。設(shè)計(jì)出通過單一氣源控制的順次變形的軟體抓取機(jī)器人，避免了復(fù)雜的連接結(jié)構(gòu)和多源氣動(dòng)控制系統(tǒng)。因此，該設(shè)計(jì)充分展示了紡織多尺度結(jié)構(gòu)在軟體機(jī)器人形變可預(yù)編程性、設(shè)計(jì)靈活性和便捷性等方面的獨(dú)特優(yōu)勢。由圖7（a）可見，在驅(qū)動(dòng)器彈性區(qū)域中的低模量部分會(huì)在充氣時(shí)表現(xiàn)出更大彎曲變形，當(dāng)楊氏模量在～10 MPa時(shí)，軟體機(jī)器人可形成高曲率的卷繞變形（Ⅲ部分）；通過以約為45°排列針腳方向來創(chuàng)建螺旋運(yùn)動(dòng)形態(tài)（Ⅱ部分），可實(shí)現(xiàn)充氣驅(qū)動(dòng)過程中的螺旋和收縮沖程，以執(zhí)行不同的變形需求，如物品提起和多點(diǎn)抓握等；當(dāng)提升彈性區(qū)域的模量到～10 MPa時(shí)，雖然受到與Ⅲ部分和Ⅱ部分一樣的氣壓控制，但Ⅰ部分展現(xiàn)了較小的彎曲變形。本研究還可以通過調(diào)整半徑進(jìn)一步設(shè)置驅(qū)動(dòng)器的彎曲曲率，以實(shí)現(xiàn)類似觸手的運(yùn)動(dòng)。由圖7（c）可見，通過調(diào)整半徑大小來制造錐形驅(qū)動(dòng)器，以實(shí)現(xiàn)不同的彎曲效果，使其在不同壓力（30、40、50 kPa）下充氣時(shí)，曲率變化范圍從 0.14～0.23 cm（圖7（d））。

2.4 在醫(yī)療可穿戴與抓取機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用舉例

高性能紡織基驅(qū)動(dòng)器可以提供良好的佩戴舒適性，同時(shí)紡織品固有的透氣性、柔順性和良好的觸覺極大地提高了人機(jī)交互的安全性和舒適性，因此紡織基驅(qū)動(dòng)器可用于輔助運(yùn)動(dòng)等醫(yī)療可穿戴領(lǐng)域。本研究制作了一條20 cm長的紡織基彎曲驅(qū)動(dòng)器作為輔助人肢體運(yùn)動(dòng)的人工肌肉動(dòng)力源，將其固定在手臂外側(cè)，以輔助手臂運(yùn)動(dòng)，如圖8所示。通過反復(fù)充壓和釋壓，使驅(qū)動(dòng)器膨脹彎曲和回復(fù)，從而驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)完成運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)器的自身質(zhì)量為0.019 kg，僅為機(jī)械臂質(zhì)量（0.225 kg）的84%左右，展現(xiàn)了高效的驅(qū)動(dòng)變形和高質(zhì)量比功率。

除了可以用于醫(yī)療輔助外，還可以通過對(duì)針腳方向、針織材料等的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)軟體機(jī)器人的預(yù)編程化，使其在單一氣源控制下具有順次的卷繞、螺旋和扭轉(zhuǎn)的形態(tài)，用于抓取和提起物體。與普通彎曲軟體機(jī)器人相比，螺旋軟體機(jī)器人具有更大的接觸面積和更復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，可以提供更有效的抓取能力，尤其是對(duì)于形狀不規(guī)則的物體。軟體機(jī)器人可以通過將尖端穿過膠帶中心并通過扭轉(zhuǎn)變形在非常短的時(shí)間內(nèi)抓住并提起物體（圖9）。由圖9可以看出，在抓取過程中，第三節(jié)扭轉(zhuǎn)軟體機(jī)器人先進(jìn)行扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使末端觸手勾住目標(biāo)物體，然后中間螺旋軟體機(jī)器人通過螺旋收縮，將物體提升。此外，彎曲收縮和拉伸部分沿正交方向變形，以便在不同平面上變形并擴(kuò)大工作空間。

由于其材料特性，驅(qū)動(dòng)器非常柔軟，因此可以適用于各種形狀、質(zhì)量和材質(zhì)物體的抓取，并且不會(huì)損壞易碎物體。圖10（a）展示了基于織物的驅(qū)動(dòng)器在抓取和提升不同物體（如香蕉和花瓶）的多功能應(yīng)用，其質(zhì)量分別為150 g和300 g，驅(qū)動(dòng)器（≈19 g）可以舉起一個(gè)比自身質(zhì)量高約16倍的花瓶（≈300 g）。本研究使用了力傳感器作為位于軟體驅(qū)動(dòng)器和剛性或柔性形物體之間的探針，柔性壓力傳感器可以通過模擬人的觸摸感覺來測量夾持力并進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋，如圖10（b）所示。夾持力與彎曲驅(qū)動(dòng)器的曲率變化密切相關(guān)，曲率變化由提供的壓力決定，當(dāng)壓力超過40 kPa時(shí)曲率的變化變小（圖10（c）），夾持力顯示出小幅增加，并且隨著壓力從40 kPa增加到70 kPa而趨于穩(wěn)定。該傳感器在多個(gè)不同的氣壓下都表現(xiàn)出穩(wěn)定的夾持力，夾持力的實(shí)時(shí)測量和分析值得進(jìn)一步研究，通過將基于紡織品的傳感器集成到驅(qū)動(dòng)器中，以設(shè)計(jì)基于自感應(yīng)和紡織品的智能驅(qū)動(dòng)器。

3 結(jié) 論

采用高彈性的氨綸包芯紗作為針織圈紗，以滌綸低彈紗作為襯緯紗，織造了具有顯著力學(xué)各向異性的襯緯針織物，并將襯緯針織物作為應(yīng)力限制層包裹于氣囊外，研發(fā)了大驅(qū)動(dòng)應(yīng)變、高能量利用率和高質(zhì)量比功率的紡織基氣動(dòng)軟體機(jī)器人。通過探討不同織物模量、針織針腳方向等織物幾何和力學(xué)因素對(duì)軟體機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的影響規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了變形多樣化、可預(yù)編程和靈活操控的多模式運(yùn)動(dòng)軟體機(jī)器人的開發(fā)。進(jìn)而實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了具有多種運(yùn)動(dòng)形態(tài)的單氣源控制的軟體機(jī)器人抓手、醫(yī)療輔助驅(qū)動(dòng)器等應(yīng)用，展現(xiàn)了紡織基氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器更安全舒適的人機(jī)交互性，說明了紡織基驅(qū)動(dòng)器在醫(yī)療可穿戴等智能設(shè)備的潛在應(yīng)用，以及在人機(jī)交互中可觀的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

［1］SINATRA N R， TEEPLE C B， VOGT D M， et al. Ultragentle manipulation of delicate structures using a soft robotic gripper［J］. Science Robotics， 2019， 4（33）： 1-11.

［2］SCHAFFNER M， FABER J A， PIANEGONDA L， et al. 3D printing of robotic soft actuators with programmable bioinspired architectures［J］. Nature Communications， 2018， 9： 1-9.

［3］GORISSEN B， REYNAERTS D， KONISHI S， et al. Elastic inflatable actuators for soft robotic applications［J］. Advanced Materials， 2017， 29（43）： 1604977.

［4］YANG S Y， KIM K， KO J U， et al. Design and control of lightweight bionic arm driven by soft twisted and coiled artificial muscles［J］. Soft Robotics， 2022， 10（1）： 17-29.

［5］HAO Y F， GONG Z Y， XIE Z X， et al. A soft bionic gripper with variable effective length［J］. Journal of Bionic Engineering， 2018， 15（2）： 220-235.

［6］SHE Y， CHEN J， SHI H L， et al. Modeling and validation of a novel bending actuator for soft robotics applications［J］. Soft Robotics， 2016， 3（2）： 71-81.

［7］HEUNG K H L， TONG R K Y， LAU A T H， et al. Robotic glove with soft-elastic composite actuators for assisting activities of daily

living［J］. Soft Robotics， 2019， 6（2）： 289-304.

［8］GREER J D， MORIMOTO T K， OKAMURA A M， et al. A soft， steerable continuum robot that grows via tip extension［J］. Soft Robotics， 2019， 6（1）： 95-108.

［9］QUINLIVAN B T， LEE S， MALCOLM P， et al. Assistance magnitude versus metabolic cost reductions for a tethered multiarticular soft exosuit［J］. Science Robotics， 2017， 2（2）： 1-10.

［10］SANCHEZ V， WALSH C J， WOOD R J. Textile technology for soft robotic and autonomous garments［J］. Advanced Functional Materials， 2021， 31（6）： 2008278.

［11］NG J L， SINGH T， KWAN L C， et al. Biotextilogy-prototyping and testing mechanical gradient textiles that emulate nature’s own［J］. Results in Materials， 2019， 2： 100018.

［12］WANG Y Q， LIU X L， ZHU C K， et al. Production and characterisation of novel phosphate glass fibre yarns， textiles， and textile composites for biomedical applications［J］. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials， 2019， 99： 47-55.

［13］LASCHI C， CIANCHETTI M. Soft robotics： New perspectives for robot bodyware and control［J］. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology， 2014， 2（3）： 1-5.

［14］CACUCCIOLO V， RENDA F， POCCIA E， et al. Modelling the nonlinear response of fibre-reinforced bending fluidic actuators［J］. Smart Materials and Structures， 2016， 25（10）： 105020.

［15］KIM S Y， BAINES R， BOOTH J， et al. Reconfigurable soft body trajectories using unidirectionally stretchable composite laminae［J］. Nature Communications， 2019， 10： 3464.

［16］ZOU J， FENG M， DING N Y， et al. Muscle-fiber array inspired， multiple-mode， pneumatic artificial muscles through planar design and one-step rolling fabrication［J］. National Science Review， 2021， 8（10）： 1-11.

［17］GUAN Q H， SUN J， LIU Y J， et al. Novel bending and helical extensile/contractile pneumatic artificial muscles inspired by elephant trunk［J］. Soft Robotics， 2020， 7（5）： 597-614.

［18］CAPPELLO L， GALLOWAY K C， SANAN S， et al. Exploiting textile mechanical anisotropy for fabric-based pneumatic actuators［J］. Soft Robot， 2018， 5（5）： 662-674.

Study on the structural design and actuation performance of textile-based soft robotics

YANG Mengxin， LI Haoyun， IQBAL M Irfan， SUN Fengxin

（1.Laboratory for Soft Fibrous Materials， Jiangnan University， Wuxi 214122， China;2.Department of Civil Engineering，The University of Hong Kong， Hong Kong 999077， China）

Abstract：Robots contribute a significant part of smart living and production in modern society. Compared to rigid robots composed of hard materials， soft pneumatic robotics constructed with flexible materials are more lightweight and flexible， offering greater compliance， environmental adaptability， and safety when interacting with humans and fragile objects. Therefore， they hold considerable promise in areas such as medical rehabilitation， human-robot interaction， and operations in unstructured complex environments. However， existing soft pneumatic robots constructed from multi-directional and highly deformable membrane materials often suffer from issues such as low power-to-weight ratio， complex control and fabrication processes， and poor skin-friendliness. Textile materials， as a category of typical fiber-based soft materials， offer opportunities for multi-scale controllable structural design. They possess characteristics like a solid phase with the ability to smoothly deform with multiple curvatures and high strength combined with flexibility. Consequently， they have the potential to enhance the power output， controllability， and applications of soft robots in the field of intelligent wearables.

On this basis， the multi-scale design strategy of textile structure was proposed in this study， and textile-based soft actuators with excellent performance were developed， so as to promote the practical applications of pneumatic actuators. In this study， the mechanical properties of the knitted fabric layer of the textile-based actuators were characterized， and the knitted layer with laying-in yarns and anisotropic mechanical behavior was designed to improve the actuating efficiency of the actuators. Furthermore， a comparison was made between the bending curvatures of soft robotics made by conventional knitting-based actuators and modified knitting-based actuators with laying-in stitches. A modified knitted architecture with laying-in yarns was pioneered to fabricate textile-based actuators. The loop yarn of the modified knitted fabric possessed core-sheath structure by wrapping spandex filaments with polyester fibers， so that high elasticity was achieved. The laying-in yarns were made of polyester fibers to endow the yarns with relatively low elasticity. The modified knitted fabric shows superanisotropic mechanical performance. Specifically， the Young’s modulus in the direction of laying-in yarns is up to 145 kPa， while the Young’s modulus in the orthogonal direction is only 1.1 kPa. Such an isotropic mechanical property of the designed fabric enhances the deformation of the actuator along fabric’s elastic direction but restricts the deformation in inelastic direction， endowing the fabricated actuator with high energy efficiency and blocking forces. A large bending curvature of 0.27 cm is achieved under a low applied pressure （60 kPa）. This bending actuation strain is much larger than that of actuators fabricated by conventional knitted fabrics. The multimode movements are achieved by programming the Young’s modulus of the fabrics to form bending， curling and coiling deformations. For the given size of the actuators， the bending curvature of the actuators ranges from 0.25 cm to about 0.13 cm when the Young’s modulus varies from 0.05 MPa to 5.6 MPa. Also， the bending curvature can be tuned by the dimension of the actuators， and a conical actuator can possess variable bending curvatures along its generatrix. The actuators can be used to assist arm motion， displaying high specific work， as indicated by the high actuation strain （over 90°） and high weight ratio between the arm weight （0.225 kg） and actuator weight （0.019 kg）. Moreover， the actuators can also be assembled to produce soft grippers to grip and then lift objects by a sequence deformation of the actuators driven by a monotonous air pressure source， and the gripping force can be easily tuned by controlling the supplied pressures.

Unlike the conventional strategy to integrate different components into actuators， a modified knitted architecture is used to fabricate actuators with superior actuation performance based on the hierarchical structure design of textiles. The proposed textile-based soft robotics fabricated based on the modified knitted fabric show a good bending actuation strain at low applied pressure， a large blocking force and high specific work. Also， the deformation of the actuators can be easily programmed by tuning the Young’s modulus and dimensional size based on the hierarchical textile manufacturing process， and thus the actuators possess low-cost and easy-fabrication features. The developed textile-based actuators are promising for diverse applications in soft robotics， medical rehabilitation training， soft gripper and other areas that are not possible with conventional linkage rigid actuators. This approach can be a paradigm to put forward structure innovation of textile-based actuators.

Key words：soft robotics; smart actuators; multi-modal movement; healthcare wearables; textile structures; preprogramming