軟體機器人流體驅動方式綜述

趙宇豪， 趙 慧， 譚代彬

(1.武漢科技大學 機械自動化學院， 湖北 武漢 430081; 2.武漢科技大學 機器人與智能系統研究院， 湖北 武漢 430081)

引言

軟體機器人近年來一直是機器人領域的研究熱點[1-3]，同時軟體機器人也是一個多學科交叉的研究，涉及仿生學、機器人學、軟材料學以及控制等學科，隨著仿生技術、新型柔性材料、柔性傳感器、3D打印等技術的快速發展，促進軟體機器人不斷走向成熟。

與傳統剛性機器人相比，雖然很多工業機器人已經可以代替人完成大部分的生產工作，但是在人-機-環境交互方面還存在一些問題。軟體機器人由于在材料上采用了硅橡膠等柔性材料，所以其界面友好，在人-機-環境交互上更加安全。

軟體機器人的驅動方式可分為流體驅動[4]、線驅動[5]、形狀記憶合金驅動[6-7]、電活性驅動[8-9]等；流體驅動是通過對一定形狀的彈性腔施加正負壓的流體從而產生變形與運動，其中流體可以是氣體、液體或微流體，并且通過改變其結構產生具有伸長、壓縮、彎曲、扭轉、彎曲+扭轉等多種運動形式的驅動器，并且根據這些驅動器研制了許多類型的軟體機器人，例如爬行軟體機器人[10-11]、抓取軟體機器人[12-14]、水下軟體機器人[15-16]、跳躍軟體機器人[17]等。目前，流體驅動因其形式多樣性、響應快速性等被廣泛研究，并且在探索、抓取、醫療、養老助殘等多個領域取得了一些進展，如哈佛大學研制的世界第一個完全自主運動的軟體章魚機器人Octobot[18]、可穿戴的輔助假肢[19]、輔助康復手套[20]等。

本研究綜述了目前軟體機器人流體驅動方式的類型及其優缺點，同時介紹了其制作方法，分析探討了流體驅動目前存在的一些問題以及流體驅動的未來發展方向。

1 軟體機器人研究現狀

1991年，SUZUMORI K等[21]設計了三自由度的FMA(Flexible Micro-actuator)，并且基于FMA研制了四指手[22]，該軟體手具有多個自由度，如圖1a所示。2010年BROWN E等[23]研制了一種卡壓式的抓手VERSABALL，如圖1b所示，可以被動地適應目標物體的形狀，通過塞入剛性顆粒，調節膜內的氣壓，卡壓夾具可以迅速變軟或者變硬，以抓住不同大小和形狀的物體，并且帝國機器人公司已將這種卡壓式抓手商業化。2011年ILIEVSKI F等[24]研制了一種基于氣動網格的軟體手，如圖1c所示，可以抓起直徑10 cm、重300 g的物體。2014年TOLLEY M T等[10]研制了一種基于氣動網格并且完全自主移動的四足軟體機器人，如圖1d所示，采用硅樹脂制作，能適應各種環境，被暴露在火中以及被汽車碾壓都能安然無恙；同年，TOLLEY M T等[17]還基于氣動網格的結構研制了一款自主跳躍軟體機器人，如圖1e所示，其運動原理是通過內燃爆炸產生高壓氣體使其彈性腔膨脹，再通過放氣實現跳躍。2017年WEN Li[25]研制的OctopusGripper仿生象鼻助手，如圖1f所示，OctopusGripper能夠對不同形態、不同大小的物體進行穩定、無損的抓持，并且在工業制造、醫療、康復等領域有著廣泛應用前景。ONAL C D等[26]設計制作了一種滾動式軟體機器人，如圖1g所示，該機器人是由6個等間距的彎曲流體彈性驅動器組成，平行于圓柱體表面，在充氣時彎曲并施加扭矩，推動身體向前滾動。2018年KATZSCHMANN R K 等[16]設計了一款液壓驅動的軟體魚，如圖1h所示，其魚尾是1個錐形雙向的網格，并且軟體魚的頂端安裝了1個攝像頭，使潛水員可以遠程控制和拍攝海洋生物和環境，在未來研究水生生物和探索海底等復雜未知環境上有著巨大潛力。

a) 四指軟體手[22] b) 球形軟體夾持器[23] c) 軟體手[24] d) 四足軟體機器人[10] e) 跳躍軟體機器人[17] f) OctopusGripper[25] g) 滾動式軟體機器人[26] h) 軟體魚[16]圖1 流體驅動的軟體機器人

2 流體驅動類型

按照流體驅動的介質類型，將現有流體驅動方式分為氣壓驅動、液壓驅動和微流體驅動。

2 .1 氣壓驅動

由于氣體具有重量輕、無污染和來源廣的特點，因此氣壓驅動被廣泛研究和應用，本研究根據其結構的不同將其分為纖維編織型、螺旋型、網格型、折紙型和特殊型等。

1) 纖維編織型

纖維編織型主要是將纖維纏繞在彈性腔上面或嵌入其中，這是由于彈性腔在充入氣體的同時會產生縱向和橫向2個方向上的膨脹，因此需要根據設定目標來限制其中一個方向的膨脹，從而實現特定而有效的運動形式，并且通過改變其纏繞的方式還能夠產生不同的運動形式。張遠深等[27]分析了Mickkien氣動人工肌肉研究歷程，其結構內部主要是一根橡膠管，橡膠管外層是雙螺旋線編織的纖維編織網，兩端由連接件固定，一端連接氣源，另一端連接負載，當對其充入一定壓力的氣體時，肌肉收縮產生拉力。

2015年CONNOLLY F等[28]發現通過改變纖維角度，可以使驅動器實現多樣的運動，包括軸向擴展、徑向擴展和扭轉，圖2展示的是具有扭轉運動的驅動器，其可以利用模塊化將不同運動形式的驅動器組合成具有多種運動形式的軟體驅動器；與改變纖維編織角度不同的是，POLYGERINOS P等[29]利用纖維在不同方向的增強效果，制作了新的彎曲型柔性氣動肌肉，如圖

圖2 扭轉驅動器[28]

圖3 纖維增強型驅動器[29]

3a所示為非受壓狀態下的纖維增強彎曲驅動器，圖3b所示為受壓狀態下的彎曲驅動器。

2) 螺旋型

螺旋型結構的驅動器主要是將單個或多個氣動人工肌肉以螺旋線的形式纏繞而成，與傳統的氣動人工肌肉相比，具有高負載、伸縮率高的特點，并且能夠實現扭轉、伸長的運動形式。

2017年YAN Jihong等[30-31]提出充氣式螺旋純扭轉軟體機器人模塊，如圖4所示，在圓柱體中心處嵌入只能扭轉不能伸長的限制層，當給螺旋形內腔充氣時，螺旋腔產生螺旋伸縮運動，通過限制層限制彈性體局部軸向應變，實現局部差應變效應，將驅動力轉換成扭矩，實現扭轉運動。ROCHE E T等[32]利用軟體氣動人工肌肉設計了一種可植入的柔性驅動器來模擬心臟的自然運動，如圖5所示， 將PAM以螺旋和周向的空間排列，螺旋的氣動人工肌肉實現扭轉功能、周向排列的人工肌肉實現壓縮功能，可以用來增強心臟功能受損患者的心肌運動。

圖4 軟體扭轉驅動器模塊[30-31]

圖5 可植入的柔性驅動器[32]

3) 網格型

網格型主要由一些固定形狀的腔室線性或圓周陣列而成，通過其型腔之間相互擠壓而產生彎曲和伸縮的運動，其腔室截面有三角形、梯形、U形、方形等。UDUPA G等[33]發現方形的伸長率最大，為70%，而三角形的伸長率最小，只有26%；POLYGERINOS P等[34]根據方形氣動網格設計了PneuNet驅動器，其內部結構由多個方形體的腔室線性排列構成，底部含有限制層，通過對彈性腔充入氣體，驅動器一側受彈性腔膨脹擠壓變形伸長，另一側受限制層不伸長，從而產生彎曲運動。

2015年PEELE B N等[35]利用3D打印的雙向彎曲柔性驅動器，如圖6所示，該結構由PneuNet對稱組合構成，具有2個自由度。同樣的還有德國Festo公司設計的“仿生象鼻操作助手” BHA[36-38]，如圖7所示，該仿生象鼻助手的柔性臂由3個并聯的氣動網格驅動器構成，可以實現全向彎曲。

圖6 雙向彎曲驅動器[35]

圖7 仿生象鼻助手[37]

2018年WANG Tianyu等[39]通過重新調整單個氣動網格的腔室角度，設計了一種新的能夠大范圍耦合彎曲和扭轉運動的驅動器，如圖8a所示，并且通過計算不同內部壓力下斜腔作動器的彎曲和扭轉角，發現隨著腔室角度的增大，其彎曲能力減小，扭轉能力增大；該驅動器還可以抓取管子、圓柱體、剪刀、乒乓球等物品。抓取剪刀如圖8b所示。

圖8 彎曲扭轉耦合驅動器[39]

4) 折紙型

折紙型氣動驅動器設計靈感來源于折紙，與一般折紙機器人[40]不同的是，其需要由氣動驅動。折紙蘊含數學運算和空間幾何原理，并以其獨特的結構可塑性和穩定性吸引了許多研究者。根據折紙圖案可以將這些折紙型氣動驅動器分為Waterbomb式[41]、Yoshimura式[42]、Miura-ori式[43-44]、Square-twist式[45-46]等。

水雷(Waterbomb)圖案[47-48]是一種傳統的折紙圖案，主要有兩種類型，分別為八折痕水雷和六折痕水雷，如圖9a、圖9b所示，實線表示凸折線，虛線表示凹折線。八折痕水雷圖案外形為正方形，由圍繞中心頂點交替的4個凸折線和4個凹折線組成；六折痕水雷圖案則由正方形上面圍繞中心頂點的2個凸折線和4個凹折線組成，立體效果如圖9c所示。2019年LI Shuguang等[41]研制了一個基于折紙負壓驅動的軟機器人夾持器，如圖10a所示；其中骨架結構來自折紙“魔術球”，如圖10b所示。折紙“魔術球”是由一張長方形的紙折疊而成，紙上有重復的水雷圖案，每隔一行就用一個半的位來抵消，如圖10c、圖10d為夾持器的不同角度，可以抓起各種各樣的物體，包括食物、重瓶子等。

圖9 水雷圖案[48]

圖10 基于折紙負壓驅動的軟機器人夾持器[41]

5) 特殊型

除了以上的幾種類型之外，還有一些特殊的結構類型，例如2017年HAWKES E W等[49]研發了一款新的軟體機器人Vine-link Robot，如圖11a所示，該軟體機器人采用聚乙烯薄膜，分為2個氣腔，在尖端安裝有攝像機，對環境進行視覺反饋；如圖11b所示，其運動原理是，由內部壓力驅動的薄膜外翻使更多的材料從底部通過身體的核心拉出，使頂端不斷變長從而達到伸長的目的。控制電磁閥使機器人身體左側腔充氣，導致尖端轉向右側，形成右轉彎；Vine-link Robot可以舉起100 kg的木箱，能通過不同的障礙物，并可以抵御高溫火焰。

氣壓驅動的軟體機器人近年來被廣泛研究，其結構種類相對于其他驅動方式更多，并且應用于抓取、醫療、探索等領域。氣壓驅動具有運動形式多樣、變形量大、人機交互的安全性好、重量輕和來源廣等優點，但是還存在遲滯性和輸出力相對較小、控制精度差、需要外接氣源等問題。

圖11 Vine-link 機器人[49]

2.2 液壓驅動

液壓驅動的介質可以為液壓油和水，由于液體不可壓縮特性，使得液壓驅動的軟體驅動器響應速度快，并且能承受高負載，例如2008年柯尊榮等[50]提出了一種以純水為介質的人工肌肉，結構如圖12所示，其工作壓力為3～5 MPa，是傳統氣壓人工肌肉的6～10倍。但是由于重量大，且氣壓密封相對比較困難，因此以液體作為介質的流體驅動軟體機器人研究較少，其結構分類和氣壓驅動分類形式一致。

1.法蘭 2.管接螺母 3.密封圈 4.盤形彈簧 5.內部圓錐 6.隔膜軟管 7.純水液壓介質 圖12 液壓人工肌肉[50]

1) 纖維編織型

2012年TIWARI R等[51]設計了一種液壓人工肌肉，主要結構是由橡膠管、固定件和編織網構成，并且將其應用在液壓單腿上，如圖13所示。該液壓單腿的髖關節和膝關節運動分別由1對液壓人工肌肉的拮抗

圖13 液壓單腿[51]

作用來控制。

2) 網格型

2019年ISHIDA M等[52]研制了一種以液體為介質的四足軟體機器人，如圖14所示，其單足結構由3根波紋管并列組成。當向不同的波紋管腔室中施加壓力，彈性腔膨脹變形從而產生彎曲變形，通過4個三通電磁閥實現各條單腿的充壓與排壓，其在靜水下的速度為15 mm/s。

圖14 一種水下行走的軟體機器人[52]

由于液體介質的特殊性，液壓驅動的軟體機器人更適合在水下進行探索和求援等，與氣壓驅動相比較，其響應速度更快、輸出力大，而且一般液壓驅動采用純水居多，綠色無污染。由于其不可壓縮特性，還可以配合特定泵來搭建循環回路，進而為軟體機器人長時間供能。

2.3 微流體驅動

微流體是在微米尺度或微米尺度空間里的流體，在微觀尺寸下控制、操作和檢查復雜流體的技術被稱為微流體技術，并且廣泛應用于生物、醫療等領域。趙士明等[53]綜述了微流體驅動與其控制系統。本研究所介紹的微流體驅動方式主要是將傳統微流體技術應用在軟體機器人。

2014年MORIN S A等[54]利用了微流體技術，研制了具有偽裝功能的軟體四足機器人，如圖15所示,其結構主要由提供驅動的柔性驅動器和提供變色的彩色層(圖中顯示為白色部分)構成。柔性驅動器是獨立的氣動腔室，而彩色層是薄薄的微流體網格。變色原理是通過對微流體網格通道注入彩色液體或溫度來控制軟體機器人整體的顏色。

圖15 變色的軟體四足機器人[54]

2016年WEHNER M等[18]研制了世界上第一款完全自主的軟體章魚機器人，如圖16所示。通過微流體技術研制了微閥與微流體邏輯電路來控制調節流體流動，流體是由注射泵注入過氧化氫溶液在催化劑的作用下產生的氣體，進而控制8條腿的驅動和排氣分配，實現軟體機器人的運動。

圖16 章魚機器人[18]

微流體驅動可以通過微閥、微泵和微流體邏輯控制系統來實現無電子化的軟體機器人自主運動[55]，從而可以應用于海上油氣等極端環境中；還可以改變微流體的顏色用于偽裝機器人，使其更好的融入周圍環境，來保護自己或進行探索活動；但是微流體驅動具有結構復雜、制作成本高等缺點。表1是關于流體驅動的各類方式的優缺點比較。

表1 流體驅動的各類方式比較

3 制造技術

傳統剛性機器人系統的制造方法不適用于柔性材料的制造，隨著快速數字化設計和制造工具的發展，研究人員利用快速和適應性強的制造技術制造了復雜的軟體機器人系統，文獻[56-58]綜述了軟體機器人的制作工藝。目前，流體驅動的軟體機器人主要采用了形狀沉積(SDM)、軟光刻、失蠟鑄造、多步成型、3D打印等制作技術。

圖17是SDM的原理圖[56]，通過這個過程，可以把剛性材料和柔性材料組合成一個部分，適用于制造具有先進功能的柔性機構，如傳感器、電路等，可嵌入軟體機器人中。

圖17 SDM工藝示意圖[56]

如圖18為軟光刻的制造流程示意圖，其制造流程主要分為三步：

(1) 將液態的硅橡膠倒入上下模具中；

(2) 固化后取出，并將連接面浸在一層未固化的彈性體中；

(3) 將兩層材料連接在一起固化。

失蠟鑄造可以加工復雜形狀的內部通道由于是一次成型，提高了驅動器整體的性能。以魚尾制作工藝[57]為例，如圖19所示。其制作過程：澆注并固化橡膠模具；澆注蠟芯；裝配各模具；將硅橡膠和玻璃泡的混合物倒入尾部模具中，使其固化；用烤箱將固化的魚尾中蠟芯熔化；利用沸水進一步去除剩余的蠟。

圖18 軟光刻工藝示意圖[57]

圖19 失蠟鑄造工藝示意圖[57]

由于纖維編織型的驅動器外表大多纏繞有增強纖維，其本體主要采用的成形方法大多與多步成形工藝[29]類似，制作過程也包含了傳統的澆筑法[59]，如圖20所示，其制造過程主要是：通過3D打印模具并將其澆筑成形；將應變限制層附著在執行機構的平面上；纏繞纖維增強線；將整個執行機構放入模具用硅膠密封；用模制的硅膠密封管的一端。

圖20 一種彎曲驅動器的制造[59]

3D打印是一種增材制造(AM)過程，目前主要的3D打印技術[60]主要有SLP(Stereo Lithography Plater)、SLS(Selective Laser Sintering)、熔融沉積打印、噴墨打印等，通過3D打印使軟體機器人的本體一次成形提高了效率。PEELE B N等[35]利用掩模投影立體光刻(DMP-SL)制造了多自由度的軟體驅動器；MACCURDY R等[61]通過多材料3D噴墨打印系統，一步完成了液壓驅動六足軟機器人的制作，包括波紋管執行器、軟爪和齒輪泵等零件。

4 分析與討論

隨著軟體機器人的研究熱度越來越高，也產生了較豐富的成果，盡管流體驅動被廣泛研究，并且有一部分軟體機器人已經應用，但是在材料、制作、建模與控制等方面還存在一定不足，比如在精度、重復性上都比較差，同時流體驅動需要笨重的外部設備供能，靈活性較差。

從流體驅動的軟體機器人的研究現狀來看，未來可以從下面幾個研究思路入手：

(1) 軟體機器人的材料多為硅橡膠或Ecoflex系列，流體驅動的軟體機器人的運動主要依靠彈性腔的膨脹或收縮，在實際應用中有可能因為工作任務或環境導致彈性腔破裂，使軟體機器人不能正常工作。研究新型的自愈型柔性材料使撕裂和穿孔的彈性驅動器[62-63]可以自修復，可以大大提高軟體機器人的性能。現有傳感器大多都是剛性的，無法滿足軟體機器人的需求，通過嵌入的曲率和接觸柔性傳感器[64]有利于監測軟體機器人在施加壓力下的變形和提供觸覺反饋，并且有利于形成閉環控制。柔性傳感器技術，目前仍然處于起步階段，研制新型柔性材料和柔性電子元件會是一個研究方向；

(2) 國內許多軟體機器人的制作仍然以哈佛大學的多步成形、軟光刻等制造工藝為主，其制造工藝過程中依賴手工制作，容易引起制作效率低、精度低、成品合格率不高等問題。通過3D打印技術更加高效快捷，減少了上述手工制作帶來的問題，并且也能夠在成形過程中直接嵌入柔性傳感器，使其具有較高的集成性，因此3D打印會是其未來的一個研究方向；

(3) 軟體機器人采用了柔性材料，同時流體驅動的軟體機器人運動原理來源于彈性腔的膨脹或縮小，具有非線性。并且有的軟體機器人自由度高度冗余，在一些環境下很容易發生被動形變，難以實現精確建模與控制。目前，軟機器人建模主要采用分段常曲率(PCC)[65]、剛性梁理論[66]或有限元分析[67]等方法，但是其模型的精度和準確性還有待提升，更加準確的建模方法也是未來一個研究方向；

(4) 相比于剛性機器人，軟體機器人柔順性更好，人機交互更加安全，但是軟體機器人有時在實際工作環境中需要較大的輸出力矩和穩定的姿態，在有些環境下很容易受到自身重力或外力的影響發生被動形變，因此實現軟體機器人的變剛度能力尤為重要。JIANG Yongkang等[68]提出了鏈狀顆粒干擾方式。YANG Yang等[69]提出了層干擾和顆粒阻塞兩種混合的變剛度方式。ZHANG Yuanfang等[70]將形狀記憶合金嵌入氣動柔性驅動器中，使驅動器剛度提高了120倍，因此可變剛度也是一個未來研究方向；

(5) 一張紙可以根據折疊的方式被折成許多三維的形狀，而折痕圖規定了所需的折疊，如何設計有效的折痕圖使其能折疊成需要的結構形式，這需要算法來支持。DEMAINE E D等[71]提出一種算法，使任何多面曲面都可以由足夠大的方形紙折疊而成。由于折紙的可塑性和穩定性，將折紙與軟體機器人結合的折紙型軟體機器人將在各領域有很大前景，而新的折紙算法是一個研究方向；

(6) 與流體驅動依靠流體通道類似，微流體技術在微觀上構建微流體通道系統來實現各種復雜的微流體操縱功能，通過微流體技術可以使未來的軟體機器人更加集成化，微型化，并且具有偽裝功能，這可能會是未來的一個研究方向；

(7) 流體驅動的軟體移動機器人大多不能完全自主運動，需要通過一根傳輸流體的管帶與之相連接，進而為軟體機器人的運動提供能源，并且傳統的氣壓源或液壓源體積較大，大大限制了其自主性和實際應用的普及。有的研究者利用化學反應產生氣體來提供能源[17-18]，KATZSCHMANN R K等[16]設計的液壓驅動機器魚，利用齒輪泵來構建了液壓循環系統，通過循環流體裝置，為其制作的軟體機器魚長時間的提供動力。如何設計供能裝置從而提高自主性會是一個研究方向。

5 結論

軟體機器人采用了柔性材料制作，具有較好的柔順性，在人機交互上更加安全。與其他軟體驅動方式相比，流體驅動的軟體機器人變形大、反應速度快，從而被廣泛的研究。本研究主要針對軟體機器人流體驅動方式進行了闡述，并且將流體驅動分成氣壓、液壓、為微流體等三大類型，同時根據氣壓驅動的結構類型，將其分成纖維編織型、螺旋型、網格型、折紙型和特殊型。介紹了其流體驅動的軟體機器人的制作方法，通過對流體驅動器現狀的分析和討論，得出了未來的幾個可能的研究方向：新型柔性材料與柔性電子元件、3D打印、新的建模方法、折紙算法、可變剛度、微流體技術、供能裝置等。

流體驅動的軟體機器人在醫療、探索、抓持等領域都有很好的應用前景，無論是軟體機器人還是傳統剛性機器人，其目的都是為了更好地為人類服務，科學是不斷進步的，隨著材料、3D打印、控制、新能源等多學科的發展，未來流體驅動的一些不足將會被解決。