模塊化軟體機器人多模式運動分析

方占萍

（酒泉職業技術學院，甘肅 酒泉 735000）

隨著時代的發展，科學技術日新月異。在技術的支持下，軟體機器人孕育而生。制作軟體機器人材料有很多，如SMA[1]、硅膠等。運用這些材料可通過柔性方法讓機器人改變尺寸結構。與傳統機器人相比，這種機器人更加智能，不僅能實現人機交互，還能在醫療等領域大展拳腳，因此具有廣闊的應用前景[2]。國內外學者紛紛加入研究隊伍，Ge 等人以蚯蚓為參照物設計出一款軟體機器人，王旭設計出一款可以完成蠕動爬行的軟體機器人。本設計之所以采取模塊化處理，優勢在于方便運動速度及模式。將多個相同模塊拼接在一起，可實現豐富運動序列的目的。

1 模塊化軟體機器人

1.1 結構設計

軟體模塊主要由2 部分構成，一是2 條多氣囊結構，二是由底層、中間層、頂層組成的底板。之所以要讓多氣囊結構處于對稱狀態，目的在于讓軟體機器人擁有做差速運動的能力。在底板中，上下2 層均使用硅膠材質，中間層做特殊處理，使其具有不可拉伸的作用，防止底板變形。單個軟體模塊的規格是長度110 mm、寬度82 mm。

要想氣囊運動，需要輔以驅動器。圖1 展示的是氣囊驅動器截面情況，其中Sa等于 13 mm，Sb等于 2.5 mm，Sc等于1 mm，Si等于14 mm，其余均為3 mm。利用3D 技術將驅動器的模具打印出來，再通過澆鑄，即可獲得成品。為讓驅動器與底板連接緊密，需要使用粘結劑。一般情況下，選用硅膠或硫化膠。

軟體機器人的運動方式參照尺蠖，由6 個模塊構成。這些模塊之間并無結構差別，只是獨立供氣。正是由于這一特點，使得軟體機器人擁有諸多主動件，使得可選擇的驅動序列有很多，這為豐富運動模式提供了可能。

1.2 前進波傳遞

圖2將機器人前進波傳遞過程完整呈現。圖中字母代表不同含義，a代表初始狀態，這時還沒有運動。b代表尾部模塊，此時波形開始傳遞。d代表頭部模塊，此時波形已傳遞至此。c代表傳遞過程中，此時波形由2點向3點傳遞。當傳遞1 個周期后，機器人的位置情況見e。在完成4 個周期后，位置情況見f，此時機器人前進了11.6 cm的距離。

圖2 A1D1模式的實驗效果Fig.2 The experimental effect of A1D1 mode

2 多模式運動分析

2.1 單向前進運動

軟體機器人要想具備單向前進的功能，需要滿足2 個條件：一是在進行充氣操作時，后方必須傳遞過來能量；二是在進行放氣操作時，模塊可將變形量向前方傳遞。

軟體機器人的待放氣模塊位于左側，待充氣模塊位于右側。在待放氣模塊的左右各有一個變量，在待充氣模塊右側也有一個變量。三變量之間的關系發生變化，運動情況也會隨之改變[3]。

第1種情況，充放氣模塊運動。m代表一個模塊的質量，μ代表摩擦因數，θ代表彎曲角度，far、fbl為靜摩擦力。當模塊兩側收到壓力時測試結果表明，模塊兩側的拉力值F和氣壓值p(t)、變形量Δl有著直接聯系，其中當模塊充氣操作完畢后，此時變形量為ΔL。要想知道變形結果，關鍵要看運動前后的摩擦力值。已知a小于b，那么可以得出far＜fbl。通過分析現有條件，可以看出模塊后側的摩擦力率先達到峰值，在力的作用下，模塊后側移動一段距離，此時模塊模塊中心點移動的距離ΔX等于至此，ΔX與a、b之間的關系就可梳理出來。

對于待充氣模塊M而言，ΔX與a、b之間存在如下關系：

對于待放氣模塊N而言，ΔX與a、b之間存在如下關系：

將2 個公式合并，可以得出：當a＜b或a＜c時，軟體模塊具備向前運動的能力。當a=b或a=c時，軟體模塊會把波形向前傳遞，但不會發生位移。

第 2 種情況，a等于b或a等于c。當a=c且a＜b時，則有far小于fbl的結論，意味著此時模塊左端的摩擦力處于峰值。

在完成一組傳遞后，如果模塊N的中心點未發生變化，則能得出模塊M右端不滑動的結論。此時模塊M的變形量是在這個條件下，可以獲得清楚最終拉力值模塊N做完充氣操作后，最終拉力值假設a等于c，那么FM與FN相等。

前文提到，與驅動力相關的因素只有2 個，一是氣壓，二是變形量。很顯然模塊M與模塊N的變形量不一樣，所以FM=FN的結論不成立，說明模塊N的中心點會發生移動，并且是向右側運動。因此，在a=c且a＜b的條件下可達成運動傳遞的目標。同理可知，在a=b且a＜c的條件下，模塊運動量會向前傳遞。

綜上所述，當滿足a＜b或a＜c條件時，軟體機器人可完成單向前進運動。

第3種情況，三者取值相同。假設一套操作完成后，模塊N摩擦力的方向180°旋轉，由向右變為向左，并且設定摩擦力向右作用距離為向左作用距離為Δx- Δz。經過測試觀察可以看出，t放氣＜t充氣。完成放氣操作后，模塊N會在力的作用下繼續移動，此時移動距離為正。

無論做何種運動，都會遵循能量守恒定律，模塊充放氣過程亦是如此。當充氣操作完成后，此時定義模塊M的勢能為EM（P，ΔLM），模塊N的勢能為EN（P，ΔLN）。在充氣過程中，除了氣體會做功，模塊N的勢能也會進行轉化。這一過程可用下面公式表現。

處于待放氣狀態的模塊N，不同操作下能量變化方程有所不同。在充氣時，方程是在 放 氣 時 ，方 程 是EN（P，ΔLN）=

P(t)只和模塊結構以及氣壓有關。當對模塊M進行充氣操作時，外摩擦力當對模塊N進行充氣操作時，外摩擦力已知a等于c，那么就可得到ΔLM等于ΔLN的結論。

綜上可得：

繼而推導出：

將本節公式匯總到一起，就可獲得這一方程：

當a取值為 0 時，可以得出 Δx等于 Δz的結論，這與實驗結果不符，說明在前進波傳遞中并不會形成新的能量。

當a取值為 1 時，結果是已知 0＜Δz＜可得出Δx的取值區間，即由此可以得出模塊的中心位移范圍，即

2.2 驅動序列分析

假設A代表模塊處于充氣狀態，D代表模塊處于待充氣狀態，i代表連續的充氣模塊，j代表連續的待充氣模塊，那么有AiDj代表不同類型的運動模式。充氣模塊相互組合即可形成前進波，再配以充氣模塊，就能組成一組驅動序列。a中擁有2 組驅動序列，模塊1 與模塊2 正進行充氣操作，這種狀態記作A2，模塊3、模塊4、模塊5屬于待充氣狀態，記作D3，模塊6處于待放氣狀態，為下一組驅動序列的提供前進量[4]。

通過觀察示意圖，還可得出這樣的數量關系。一般情況下，a等于i-1，b與c相等，均為j-1。倘若充放氣模塊緊挨邊界，這時b或c不大于j-1。結合上一節內容來看，當j大于等于i時，軟體機器人可實現單向前進運動。當二者取值相等時，a等于b等于 c 成立。在A1D1運動模式中，a值為 0，此時軟體機器人無法前進。圖8將這一模式下的運動效果整體呈現，由圖可見，機器人在做完1 個周期運動后，基本沒有挪動位置。在A2D2運動模式中，a值為1，此時機器人可完成單向前進運動。在A3D3運動模式中，a、b、c的取值不為2，必然會出現a值為2，b與c的取值為1 的情況，在這條件下無法實現單向前進運動。

綜上所述，滿足單向前進條件的運動模式有7種，分別是A1D2、A1D3、A1D4、A1D5、A2D2、A2D3、A2D4。只有在特定條件下，即i小于等于j，A1D6、A2D5、A2D6才能實現單向運動。

3 結語

本文對軟體機器人進行模塊化處理，內含多個驅動器，為驅動序列選擇留有余地。通過一系列測試，獲得模塊之間的間隔關系，得到有效驅動序列。同時，聯系前后文，準確判斷出6 模塊軟體機器人可實現10 種運動模式。需注意的是，其中3種模式要在特殊條件下才能實現。