軟體機(jī)器人的分類與加工制造研究

尤小丹 宋小波 陳 峰

（南通大學(xué)電氣工程學(xué)院1，江蘇 南通 226019；常州先進(jìn)制造技術(shù)研究所2，江蘇 常州 213164）

軟體機(jī)器人的分類與加工制造研究

尤小丹1，2宋小波2陳 峰1

（南通大學(xué)電氣工程學(xué)院1，江蘇 南通 226019；常州先進(jìn)制造技術(shù)研究所2，江蘇 常州 213164）

對(duì)軟體機(jī)器人的分類和加工制造等問題進(jìn)行了調(diào)查研究。軟體機(jī)器人可以分為有纜驅(qū)動(dòng)式軟體機(jī)器人和無纜驅(qū)動(dòng)式軟體機(jī)器人，其采用電活性聚合物、聚合凝膠等作為致動(dòng)器。軟體機(jī)器人的制造包括柔軟本體制造、柔性致動(dòng)器制造和可伸展電子電路制造，采用了形狀沉積法、智能微結(jié)構(gòu)等新型制造方法。軟體機(jī)器人是仿生機(jī)器人研究的延續(xù)，也是一種新興的機(jī)器人，對(duì)它的研究才剛剛起步，在未來的研究中將面臨更多的挑戰(zhàn)。

軟體機(jī)器人 仿生機(jī)器人 驅(qū)動(dòng)方式 電活性聚合物 智能材料

0 引言

傳統(tǒng)機(jī)器人的剛性結(jié)構(gòu)限制了其與環(huán)境相互作用的能力。如傳統(tǒng)的機(jī)器人使用剛性連接，并采用末端執(zhí)行器操作對(duì)象，其通常分量重且昂貴，能執(zhí)行的動(dòng)作類型有限，在非結(jié)構(gòu)化和高度擁擠的環(huán)境中常會(huì)遇到困難。然而各種動(dòng)植物在復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)中卻表現(xiàn)出了其柔性結(jié)構(gòu)。如章魚觸手和大象的鼻子，它們的肌肉結(jié)構(gòu)屬于典型的肌肉性靜水骨骼結(jié)構(gòu)，通過加壓滲透可以改變其形狀。研究人員根據(jù)生物學(xué)特征而設(shè)計(jì)和構(gòu)建的軟體機(jī)器人，可在混亂或者非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中，利用其軟結(jié)構(gòu)和冗余自由度來完成微妙的工作。

近年來，隨著仿生技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的研究人員開始關(guān)注仿生軟體機(jī)器人的研究。該機(jī)器人具有傳統(tǒng)機(jī)器人所無法媲美的柔軟性能，能夠根據(jù)環(huán)境狀況而靈活改變自身形狀，對(duì)工作空間狹小及非結(jié)構(gòu)化環(huán)境具有獨(dú)特的適應(yīng)能力，這使得軟體機(jī)器人的應(yīng)用極為廣泛。

本文將對(duì)軟體機(jī)器人的一些現(xiàn)狀進(jìn)行分析并指出未來發(fā)展的趨勢(shì)。

1 軟體機(jī)器人分類

仿生軟體機(jī)器人主要由彈性基礎(chǔ)材料構(gòu)成，依靠自身形狀在空間上的連續(xù)變化來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，理論上具有無限多自由度［1］。軟體機(jī)器人分類情況說明如下。

①根據(jù)用途的不同，可以將軟體機(jī)器人分為：工業(yè)機(jī)器人、特種機(jī)器人或者是陸地機(jī)器人、水下機(jī)器人和地外探險(xiǎn)機(jī)器人。

②根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式的不同，可以將軟體機(jī)器人分為：物理驅(qū)動(dòng)式軟體機(jī)器人和化學(xué)驅(qū)動(dòng)式軟體機(jī)器人。

③根據(jù)結(jié)構(gòu)類型的不同，可以將軟體機(jī)器人分為：靜水骨骼結(jié)構(gòu)軟體機(jī)器人、肌肉性靜水骨骼結(jié)構(gòu)軟體機(jī)器人以及其他結(jié)構(gòu)軟體機(jī)器人。

④根據(jù)受控方式的不同，可以將軟體機(jī)器人分為：點(diǎn)位控制型軟體機(jī)器人和連續(xù)控制型機(jī)器人。

⑤根據(jù)能量供給方式的不同，可以將當(dāng)前的軟體機(jī)器人分為：有纜驅(qū)動(dòng)和無纜驅(qū)動(dòng)式軟體機(jī)器人。有纜驅(qū)動(dòng)式軟體機(jī)器人和無纜驅(qū)動(dòng)式軟體機(jī)器人特性比較如表1所示。

下面著重介紹有纜驅(qū)動(dòng)式軟體機(jī)器人和無纜驅(qū)動(dòng)式軟體機(jī)器人。

表1 有纜和無纜驅(qū)動(dòng)式軟體機(jī)器人特性比較Tab.1 Com parison of the features of cable driven and w ireless driven soft robots

1.1 有纜驅(qū)動(dòng)式軟體機(jī)器人

有纜驅(qū)動(dòng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是能量供應(yīng)方便而且充足，但對(duì)于應(yīng)用在細(xì)小管道和狹小空間等特殊環(huán)境下的軟體機(jī)器人，如果采用有纜驅(qū)動(dòng)式供能，會(huì)使得軟體機(jī)器人的靈活性、移動(dòng)距離和行走路線受到限制［2］。

有纜驅(qū)動(dòng)方式主要有氣/液壓驅(qū)動(dòng)、人工肌肉驅(qū)動(dòng)、形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)等。Steltz等［3］人研制了一種基于“堵塞”［4］原理的氣壓驅(qū)動(dòng)式仿生球形機(jī)器人，它于智能機(jī)器人及智能系統(tǒng)2009年國際會(huì)議上第一次展出［5－6］。該機(jī)器人內(nèi)部分若干獨(dú)立驅(qū)動(dòng)單元，每個(gè)單元內(nèi)都裝有空氣和微粒的混合物。機(jī)器人內(nèi)部是不可壓縮的流體，中心為單個(gè)氣囊構(gòu)成的致動(dòng)器，它通過氣壓驅(qū)動(dòng)獨(dú)立單元膨脹或收縮的交替變化，促使機(jī)器人一漲一縮向前移動(dòng)。

Kimura等［7］人研制了仿變形蟲機(jī)器人，該機(jī)器人主要包括流體腔室和壓力管。其依靠氣壓驅(qū)動(dòng)壓力軟管拉伸與收縮的交替變形，迫使相鄰的液體彈性腔室發(fā)生可控位移，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人向前翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。目前，該機(jī)器人的滾動(dòng)速度約為4mm/s。

美國東北大學(xué)海洋科學(xué)中心研制出鰻鱺模式游動(dòng)的七鰓鰻仿生機(jī)器人［8］。該機(jī)器人由裝有電源、控制系統(tǒng)的樹脂玻璃絕緣罩和形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)的波動(dòng)器組成，絕緣罩中裝有羅盤、測(cè)量擺動(dòng)斜度的傾斜儀和聲吶。該機(jī)器人利用電流加熱的形狀記憶合金（shape memory alloy，SMA）作為致動(dòng)器，繞軀體軸線有節(jié)奏地橫向波動(dòng)，從頭部到尾部左右擺動(dòng)的擺幅逐漸增加，波動(dòng)從尾部到頭部反饋回來，從而推動(dòng)其前進(jìn)。該機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單，游動(dòng)時(shí)無噪聲，具有極佳的隱蔽性能。

美國哈佛大學(xué)的科學(xué)家們研制了一種新型軟體機(jī)器人［9］。該機(jī)器人采用軟光刻技術(shù)借助空氣前行，其四肢可以各自獨(dú)立操控，通過人工或計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制將壓縮空氣輸入其肢體內(nèi)進(jìn)行相應(yīng)驅(qū)動(dòng)。它能夠穿過距離地面不到1.9 cm的狹小縫隙，平均行進(jìn)速度約6.67mm/s。

Kagawa大學(xué)的郭書祥等人研制出了一種利用電致動(dòng)作原理的ICPF高分子聚合物材料作為驅(qū)動(dòng)器的水下多自由度機(jī)器人［10］。該機(jī)器人由ICPF高分子聚合物材料組成三條步行足和兩條尾鰭。在ICPF驅(qū)動(dòng)下，當(dāng)三條步行足協(xié)調(diào)擺動(dòng)時(shí)機(jī)器人移動(dòng)更迅速，利用ICPF產(chǎn)生氣泡的特性，使機(jī)器人遇到障礙物時(shí)可以迅速上浮，從而達(dá)到蔽障的目的。ICPF驅(qū)動(dòng)具有柔性好、驅(qū)動(dòng)電壓低、響應(yīng)快、可以在水下作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)。

Walker與Jones研究小組研制了一種仿章魚觸手的機(jī)器人OctArm［11－13］。該機(jī)器人利用McKibben氣動(dòng)人工肌肉作為驅(qū)動(dòng)裝置。機(jī)器人總長為110 cm，在結(jié)構(gòu)上分為4節(jié)，每節(jié)長度約為40 cm，每節(jié)由6段或者3段人工肌肉驅(qū)動(dòng)，均具有2自由度的彎曲能力。整個(gè)機(jī)器人共具有12個(gè)自由度，最大運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)0.8m/s。

Ravi Vaidyanathan等［14］人采用形狀記憶合金（SMA）研制了一種靜水海洋應(yīng)用機(jī)器人。該機(jī)器人是模仿節(jié)狀蠕蟲設(shè)計(jì)的3節(jié)水下機(jī)器人。該設(shè)計(jì)使用SMA彈簧作為肌肉（力產(chǎn)生元件），使用乳膠膀胱作為靜水骨骼支撐（液壓元件），通過簡單的電阻電路實(shí)施四開關(guān)二進(jìn)制控制器來控制3個(gè)分段機(jī)器人。該機(jī)器人以蠕動(dòng)方式運(yùn)動(dòng)，最大移動(dòng)步距為22mm，最大移動(dòng)速度為6mm/s，最大轉(zhuǎn)角在18°～21°之間［14－16］。

1.2 無纜驅(qū)動(dòng)式軟體機(jī)器人

無纜驅(qū)動(dòng)方式軟體機(jī)器人通過空間各種“場”傳遞能量，大大增加了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)靈活性，能更好地滿足非結(jié)構(gòu)化作業(yè)環(huán)境要求。這使軟體機(jī)器人應(yīng)用于廢墟搜救、醫(yī)療診治和管道檢修等領(lǐng)域成為可能［17］。

李德勝等［18］人使用電場聚合物（EAP）作為驅(qū)動(dòng)器，研制了一種龜狀軟體機(jī)器人，這種機(jī)器人的四肢全部采用離子導(dǎo)電聚合膜制成，可以爬行和游泳。Otake等［19－20］人采用EAP研制了一種仿海星軟體機(jī)器人。該機(jī)器人采用電活性聚合物凝膠制成。電活性聚合物系統(tǒng)包括聚合物和電極。機(jī)器人被置于4行4列的電極矩陣中，通過控制電壓使其產(chǎn)生不同的電場，從而使得機(jī)器人能夠改變形狀并進(jìn)行移動(dòng)或翻滾。

Hara等［21－23］人使用聚合物凝膠（polymer gel，PG）作為驅(qū)動(dòng)器，研制了一種仿尺蠖機(jī)器人。該機(jī)器人是由凝膠制成的弧形帶狀結(jié)構(gòu)，在特定環(huán)境下可通過凝膠的自激振蕩原理實(shí)現(xiàn)自主行走。

日本Eamex公司成功地用EAP制成了第一個(gè)商業(yè)化的機(jī)器魚。該機(jī)器魚長67 mm，內(nèi)部裝有發(fā)電用的線圈和控制用的微計(jì)算機(jī)。把機(jī)器魚放入能產(chǎn)生電場的專用水槽中，從槽外通電，由于電磁感應(yīng)現(xiàn)象，線圈自動(dòng)發(fā)電。微計(jì)算機(jī)控制電流，激活EAP中的離子，實(shí)現(xiàn)機(jī)器魚的游動(dòng)。

美國塔夫斯大學(xué)巴里-特里墨爾等人正在研制一種仿毛毛蟲軟體機(jī)器人［24］。該機(jī)器人利用電致伸縮化學(xué)材料作為驅(qū)動(dòng)器，通過外置電場的調(diào)控，使其能主動(dòng)變形擠入各種狹小空間，到達(dá)作業(yè)地點(diǎn)后自動(dòng)進(jìn)行生物降解。該機(jī)器人具有極強(qiáng)的柔韌性與延展性，不但能夠滲入直徑為1 cm的空間，而且能夠擴(kuò)展至原有大小的10倍，并且最終通過生物降解化為無形［24－26］。但目前該仿生機(jī)器人的變形響應(yīng)很慢，所以形狀也有所限制。

美國加利福尼亞大學(xué)研究人員研發(fā)了一款全新光控水凝膠軟體機(jī)器人［27］，該機(jī)器人使用的材料由合成物和含石墨烯的彈性蛋白組成。當(dāng)材料冷卻時(shí)，合成的蛋白質(zhì)能夠吸收水分，而變熱時(shí)又能夠?qū)⑺轴尫懦鰜?。材料中的石墨烯薄片暴露于紅外光線時(shí)會(huì)產(chǎn)生高溫。當(dāng)材料置于紅外光線下時(shí)，石墨烯薄片加熱周圍的蛋白質(zhì)，使得材料多孔的一面比另一面更快速地釋放水分。該機(jī)器人通過凝膠的不均勻收縮，使其彎曲變形。

2 軟體機(jī)器人的制造

軟體機(jī)器人的制造與傳統(tǒng)機(jī)器人最大的不同就是使用柔性材料，其嵌入裝配也與傳統(tǒng)機(jī)器人不同，比如致動(dòng)器、傳感器等部件不采用螺栓、螺母等鉸鏈方式，而是采用鑄造、層壓以及黏合等方法。軟體機(jī)器人的制造包括軟體機(jī)器人的外觀制造、柔性致動(dòng)器的制造和可伸展電路的制造［28］。

軟體機(jī)器人外觀制造的主要制造方法有形狀沉積法（shape deposition manufacturing，SDM）、智能微結(jié)構(gòu)合成法（smart composite microstructure，SCM）、嵌入成型法、軟材料沉積等。SDM方法在2000年第一次被斯坦福集團(tuán)的馬克教授團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用于機(jī)器人零件的制造［29］。該方法的流程如圖1所示。

Fig.1 Schematic diagram of SDM process

這一過程可以使得剛性材料和靈活性材料組合成一體，從而增強(qiáng)本體的魯棒性和可靠性。比如iSprawl［30－31］和Stickybot［32］這兩款機(jī)器人，在軟體復(fù)雜的部分均使用了形狀沉積方法（SDM），從而使得這兩款機(jī)器人擁有傳統(tǒng)機(jī)器人不可能擁有的特性。

SCM是一種能整合由碳纖維復(fù)合材料與聚合物薄膜制成的可彎曲關(guān)節(jié)的剛性連接的制造過程。該過程使用微激光器切割出復(fù)合平面聚合物薄膜需要的形狀，并且采用不同材料分層創(chuàng)建集成結(jié)構(gòu)。這種制造過程特別適合中尺度機(jī)器人。SCM允許使用摩擦小、結(jié)構(gòu)簡單的彎曲關(guān)節(jié)，這解決了傳統(tǒng)制造方法中對(duì)于旋轉(zhuǎn)接頭中存在的摩擦大的問題。

軟體機(jī)器人的致動(dòng)器大多數(shù)都是采用電活性聚合物（EAP）、形狀記憶合金（SMA）和聚合凝膠（PG）。電活性聚合物（EAP）是一類在電場激勵(lì)下可以產(chǎn)生大幅度尺寸或形狀變化的新型柔性功能材料，當(dāng)外界電激勵(lì)撤銷后，它又能恢復(fù)到原始的形狀和體積［33］。EAP與傳統(tǒng)功能材料性能比較如表2所示［34］。由表2可知，與形狀記憶合金、壓電陶瓷等傳統(tǒng)功能材料相比，EAP具有變形大、響應(yīng)迅速、功耗低、質(zhì)量輕、柔韌性好等特性。

表2 EAP與傳統(tǒng)功能材料性能比較Tab.2 EAP com pared w ith traditional function material perform ance

目前，可伸展電子電路也是軟體機(jī)器人研究的一個(gè)關(guān)鍵。剛性電子器件會(huì)限制軟體機(jī)器人的變形能力，所以可伸展電子電路對(duì)于軟體機(jī)器人來說特別的重要。

伊利諾斯大學(xué)研究人員發(fā)明了一種新的可拉伸硅集成電路［35］，這種電路可以緊貼球體、人體表面和機(jī)翼等復(fù)雜形狀并將其包裹起來，在拉伸、壓縮、折疊和其他極端機(jī)械變形情況下電路也可以工作且電學(xué)性能穩(wěn)定。這為軟體機(jī)器人的研究提供了可靠的保證。

3 未來研究

軟體機(jī)器人技術(shù)的不斷進(jìn)步取決于新型軟傳感器、致動(dòng)器以及軟體機(jī)器人的設(shè)計(jì)優(yōu)化、控制和制造技術(shù)及有效的軟結(jié)構(gòu)互連。從國內(nèi)外關(guān)于軟體機(jī)器人的研究現(xiàn)狀來看，未來還需要從以下幾個(gè)方面開展研究工作。

①新材料、新結(jié)構(gòu)。目前在軟體機(jī)器人中可供使用的活性材料非常緊缺，這使得軟體機(jī)器人的商業(yè)使用不切實(shí)際。因此，有必要研究制造新的活性物質(zhì)。由于傳統(tǒng)的剛性連接器（如金屬緊固件）和電極不能用于軟體結(jié)構(gòu)，因此必須開發(fā)新的連接機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

②建模技術(shù)。目前對(duì)于軟體機(jī)器人的建?；径际遣捎迷囼?yàn)的方法，對(duì)模仿對(duì)象進(jìn)行力學(xué)分析和建?？蓢L試通過理論分析方法進(jìn)行建模。但是由于軟體機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和材料的非線性以及其理論上的無限自由度，使得軟體機(jī)器人精確物理模型的建立極具挑戰(zhàn)性。此外，建模需考慮多耦合問題，并且要在加工和精確控制模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行可優(yōu)化設(shè)計(jì)。

③傳感器控制技術(shù)。理論上軟體機(jī)器人是無限自由度的，但是實(shí)際軟體機(jī)器人的傳感器和執(zhí)行器是有限的。因此，多自由度的軟體機(jī)器人并不是直接可觀察或是可控制的。這對(duì)軟體機(jī)器人的傳感器和形狀控制以及運(yùn)動(dòng)提出了挑戰(zhàn)。目前，軟體機(jī)器人使用的控制方法都是基于簡化的模型，不能保證無限自由度的控制。

④軟致動(dòng)器技術(shù)。軟致動(dòng)器在軟體機(jī)器人中扮演著重要的角色，在未來的研究中我們需要通過結(jié)構(gòu)、控制過程的優(yōu)化設(shè)計(jì)，開發(fā)出各種基于軟材料的致動(dòng)器，使其能真正為軟體機(jī)器人的應(yīng)用發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

⑤人機(jī)交互技術(shù)。軟體機(jī)器人在實(shí)踐中的一個(gè)重要問題是用戶和操作界面。目前軟體機(jī)器人的操作界面還處于起步階段。軟體機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)不同于類人機(jī)器人，其會(huì)給操作者帶來不便。因此，在未來的研究中需要把更多的精力集中在軟體機(jī)器人的反饋和輸入設(shè)備的硬件和軟件設(shè)計(jì)上，從而實(shí)現(xiàn)友好的人機(jī)交互界面。

4 結(jié)束語

本文介紹了軟體機(jī)器人分類，概述了有纜驅(qū)動(dòng)式和無纜驅(qū)動(dòng)式軟體機(jī)器人的特點(diǎn)及工作原理，歸納總結(jié)了現(xiàn)有的軟體機(jī)器人制造方法，并分析了軟體機(jī)器人作為一種新型機(jī)器人在未來發(fā)展中面臨的諸多挑戰(zhàn)。

目前，軟體機(jī)器人的應(yīng)用研究主要體現(xiàn)在醫(yī)療領(lǐng)域和工業(yè)領(lǐng)域兩個(gè)方面。美國處在該領(lǐng)域研究的前沿，我國對(duì)于軟體機(jī)器人應(yīng)用研究尚處于起步階段，隨著新材料、軟傳感器以及控制理論等相關(guān)技術(shù)和理論的發(fā)展，軟體機(jī)器人將得到越來越廣泛的應(yīng)用。未來的軟體機(jī)器人將會(huì)采用柔性電子元件和微型硬件，它們可以分布式嵌入柔軟材料中［36－37］。

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Research on the Classification and Processing Manufacturing of Soft Robots

The classification and manufacturing processes of the soft robots are researched and investigated.Basically，there are two categories of soft robots，i.e.，the cable driven soft robot and the wireless driven soft robot；while the actuators are using electro-active polymer（EAP）and polymer gel，etc.Themanufacturing of the soft robots includes three parts，i.e.，flexible body fabrication，flexible actuator fabrication，and stretchable electronic circuit fabrication；novelmanufacturingmethods such as shape deposition and smartmicrostructure are applied.Soft robot is the continuation of the research on biomimetic robot，and it is an emerging robot，its research has just started，and will face more challenges in the future.

Soft robot Biomimetic robot Drivingmode Electro-active polymer Smartmaterials

TP242

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