軟體機(jī)器人綜述

蘇航 孫夏爽 史偉 陳發(fā)光

摘要：軟體機(jī)器人是一種新型機(jī)器人，由可承受大應(yīng)變的柔性材料構(gòu)成。其具有良好的環(huán)境適應(yīng)性，能夠根據(jù)周?chē)h(huán)境情況，在大范圍內(nèi)對(duì)自身的形狀做出改變，因此軟體機(jī)器人在軍事偵查、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。綜述軟體機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式、加工制造等問(wèn)題。對(duì)軟體機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行分析總結(jié)，并對(duì)未來(lái)軟體機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：軟體機(jī)器人；驅(qū)動(dòng)方式；加工制造；智能材料；

0 前言

機(jī)器人現(xiàn)如今廣泛存在于軍事、工廠(chǎng)、科學(xué)探索等領(lǐng)域，但傳統(tǒng)的剛性機(jī)器人由于其采用剛性材料，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、空間適應(yīng)能力差、靈活度有限等問(wèn)題，已不能滿(mǎn)足在狹小通道、受限空間等復(fù)雜環(huán)境中的要求，于是衍生了一門(mén)新興學(xué)科—軟體機(jī)器人。軟體機(jī)器人本體采用軟材料或柔性材料加工而成，可連續(xù)變形，從原理上具有無(wú)限自由度，自身良好的安全性和柔順性彌補(bǔ)了剛性機(jī)器人的不足[1] 。軟體機(jī)器人可以滿(mǎn)足軍事偵察隱蔽性的要求，對(duì)地震災(zāi)害、礦難等事故空間的不規(guī)則性有良好的適應(yīng)能力。

軟體機(jī)器人是仿生機(jī)器人的發(fā)展，其模型為自然界中的軟體動(dòng)物。因?yàn)檐涹w機(jī)器人的無(wú)限自由度，所以它有無(wú)窮多種將末端執(zhí)行器達(dá)到指定位置的方法。由于對(duì)壓力的低阻抗，軟體機(jī)器人對(duì)環(huán)境具有更好的適應(yīng)性，通過(guò)被動(dòng)變形實(shí)現(xiàn)與障礙物的相容；通過(guò)主動(dòng)變形使機(jī)器人處于不同的形態(tài)并實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)；主動(dòng)變形與被動(dòng)變形相結(jié)合，機(jī)器人可以擠過(guò)比自身常態(tài)尺寸小的縫隙，進(jìn)入傳統(tǒng)機(jī)器人無(wú)法進(jìn)入的空間[2]。

1 研究現(xiàn)狀

1991年，日本東芝公司和橫濱國(guó)立大學(xué)發(fā)明了一種三通道纖維驅(qū)動(dòng)器，在該驅(qū)動(dòng)器作用下實(shí)現(xiàn)了拉壓、扭轉(zhuǎn)、彎曲等動(dòng)作，其在腿式移動(dòng)機(jī)器人和工業(yè)抓取上得到了較好的應(yīng)用。2007年，日本岡山大學(xué)和大版大學(xué)合作研發(fā)出了蝠鲼機(jī)器人，該機(jī)器人利用纖維增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)控制兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器的彎曲實(shí)現(xiàn)在水里游動(dòng)的動(dòng)作。

2007年，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局開(kāi)始研究軟體機(jī)器人—Chembots，Chembots是一種采用軟體材料，在改變自身形狀和尺寸的條件下通過(guò)狹小縫隙，并且能夠帶有負(fù)荷完成一定動(dòng)作。Chembots是化學(xué)、機(jī)器人學(xué)和材料學(xué)科交叉研制的結(jié)果。

2009年歐洲5個(gè)國(guó)家成立章魚(yú)項(xiàng)目組，旨在研究章魚(yú)傳感器機(jī)器驅(qū)動(dòng)原理，對(duì)章魚(yú)的運(yùn)動(dòng)從組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析并模擬生物力學(xué)特性，提出了收縮橫向肌肉實(shí)現(xiàn)伸長(zhǎng)，收縮軸向肌肉實(shí)現(xiàn)縮短，收縮外部和內(nèi)斜紋肌實(shí)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)功能。

2016年哈佛大學(xué)的研究者們研制成功了一種章魚(yú)形狀的全柔性機(jī)器人—Octobot。他采用了過(guò)氧化氫分解產(chǎn)生水和氧氣的化學(xué)反應(yīng)為裝置提供動(dòng)力。氧氣通過(guò)內(nèi)嵌的微閥門(mén)，使得Octobot的腕足進(jìn)行交替擺動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了整體的運(yùn)動(dòng)。

2 驅(qū)動(dòng)方式

驅(qū)動(dòng)器為軟體機(jī)器人的各部分行為提供動(dòng)力，由于軟體機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)大幅度的變形，所以對(duì)于驅(qū)動(dòng)器提出了更高的要求，例如剛度可變、質(zhì)量輕等。現(xiàn)如今軟體機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式可分為兩種：物理驅(qū)動(dòng)以及化學(xué)驅(qū)動(dòng)。

2.1物理驅(qū)動(dòng)

物理驅(qū)動(dòng)多利用材料的物理性質(zhì)來(lái)提供動(dòng)力。常見(jiàn)的物理驅(qū)動(dòng)器有形狀記憶合金（shape memory alloy， SMA）、電活性聚合物（Dielectric Electro Active Polymer，DEAP）、離子交換聚合金屬材料（ion-exchange polymer metal composite， IPMC）、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器等。原理簡(jiǎn)述如下。

形狀記憶合金是一種合金，它可以“記住”其原始形狀，且在加熱時(shí)，變形返回到其變形前的形狀。形狀記憶合金是通過(guò)熱彈性與馬氏體相變及其逆變而具有形狀記憶效應(yīng)，一般由兩種以上金屬元素所構(gòu)成。目前形狀記憶材料里形狀記憶性能最優(yōu)的當(dāng)屬形狀記憶合金。

電活性聚合物（EAP）是一類(lèi)在電場(chǎng)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(xiāo)后，它又能恢復(fù)到原始的形狀和體積[3]。電活性聚合物分為電子型EAP和離子型EAP。電子型EAP驅(qū)動(dòng)電壓高，限制了其應(yīng)用場(chǎng)合，離子型EAP需要潮濕環(huán)境，具有更為廣泛的應(yīng)用。

IPMC是一種合成復(fù)合納米材料。當(dāng)向電極施加電壓（電場(chǎng)）時(shí)，膜分子網(wǎng)絡(luò)中帶正電荷的共軛和水合陽(yáng)離子被陽(yáng)極排斥，并隨著它們向攜帶水合水分子的負(fù)電極或陰極遷移。這種遷移在膜上產(chǎn)生滲透壓力梯度，導(dǎo)致IPMC條帶以驚人的方式彎曲或變形。

氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器即采用氣泵的方式，通過(guò)高壓氣體為整個(gè)系統(tǒng)提供動(dòng)力，該方式對(duì)環(huán)境沒(méi)有污染，但受限于氣泵的存在，應(yīng)用受到限制。

2.2化學(xué)驅(qū)動(dòng)

化學(xué)驅(qū)動(dòng)即采用化學(xué)反應(yīng)的方法為系統(tǒng)提供能量和動(dòng)力。將物質(zhì)的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)軟體機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。特別當(dāng)采用可逆反應(yīng)時(shí)，能夠?yàn)檠b置提供連續(xù)不斷的能量，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的長(zhǎng)時(shí)間工作。Octobot機(jī)器人采用了過(guò)氧化氫分解出氧氣來(lái)提供動(dòng)力的方法。也可以通過(guò)短時(shí)間內(nèi)劇烈的氧化反應(yīng)即爆炸方式提供大的沖量以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的跳躍的功能。哈佛大學(xué)Robert F. Shepherd等發(fā)明的三足軟體機(jī)器人利用電火花點(diǎn)燃甲烷產(chǎn)生的爆發(fā)力實(shí)現(xiàn)跳躍即采用此原理。

3 加工制造

區(qū)別于剛性機(jī)器人的加工方式，由于柔性材料的特殊性，傳統(tǒng)的加工制造方法于軟體機(jī)器人不再適用，需要新型的加工制造方法。軟體機(jī)器人的加工制造分為本體制造、可伸展電子電路制造等。

軟體機(jī)器人本體制造主要基于快速成型技術(shù)，包括形狀沉積法（shape deposition manufacturing，SDM）、熔融沉積成型、納米復(fù)合材料沉積、納米壓印、激光消融、微注射成型等[2]。

SDM技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)將復(fù)雜材料的新型結(jié)構(gòu)制造出來(lái)。SDM技術(shù)可以將傳感器、柔性材料、剛性材料和電路集成在一起。斯坦福大學(xué)的馬克教授采用該方法，研制出了仿毛蟲(chóng)軟體機(jī)器人。其工藝步驟為：沉積—去除—沉積—微加工—埋入元件—沉積—去除—移除基體。

可伸展電子電路因?yàn)橐浜宪涹w機(jī)器人形變，須具有伸長(zhǎng)、彎曲、扭轉(zhuǎn)等要求，采用剛性電子元器件的方法無(wú)法適用于軟體機(jī)器人。故提出三種電路形式，一種是波紋狀結(jié)構(gòu)，即在原始狀態(tài)下具有足夠的冗余量以滿(mǎn)足變形需要。第二種是開(kāi)環(huán)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，開(kāi)環(huán)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)電路的伸展。第三種是將電解質(zhì)溶液注入制造時(shí)預(yù)留的通道，可以滿(mǎn)足大應(yīng)變的要求，但也應(yīng)注意到因大變形可能會(huì)出現(xiàn)的電解質(zhì)“斷流”現(xiàn)象。

4 總結(jié)與展望

軟體機(jī)器人現(xiàn)如今比較成熟的應(yīng)用領(lǐng)域是作為機(jī)器手，對(duì)于易破損、尺寸不規(guī)則的物體具有較好的保護(hù)和適應(yīng)能力。然而，由于其高柔順性，其承擔(dān)負(fù)載的能力限制了其應(yīng)用。現(xiàn)如今，國(guó)內(nèi)外的軟體機(jī)器人多在與結(jié)構(gòu)形式、驅(qū)動(dòng)能源等方面進(jìn)行研究，對(duì)于如何將電子器件植入軟體機(jī)器人內(nèi)部、路徑規(guī)劃、控制、建模研究較少，這也是將來(lái)所需要進(jìn)行深入研究方向。未來(lái)軟體機(jī)器人的形式應(yīng)像人一樣，具有獨(dú)立獲取能源、控制、運(yùn)動(dòng)等能力。不過(guò)軟體機(jī)器人作為一個(gè)新興的研究方向，任重而道遠(yuǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王田苗，郝雨飛，楊興幫，文力.軟體機(jī)器人：結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)、傳感與控制[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2017，53（13）：1-13.

[2]曹玉君，尚建忠，梁科山，范大鵬，馬東璽，唐力.軟體機(jī)器人研究現(xiàn)狀綜述[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2012，48（03）：25-33.

[3]尤小丹，宋小波，陳峰.軟體機(jī)器人的分類(lèi)與加工制造研究[J].自動(dòng)化儀表，2014，35（08）：5-9.