氣動軟閥邏輯回路在軟體機器人控制中的應用

趙 慧，譚代彬，張 峰，趙宇豪

(1.武漢科技大學 冶金裝備及其控制教育部重點實驗室， 武漢 430081；2.武漢科技大學 機器人與智能系統研究院， 武漢 430081)

0 引言

近年來，隨著機器人的應用越來越普遍，機器人的研究也受到廣泛的重視。其中，由于軟體機器人[1]模仿了自然界一類生物機體結構與運動特性，具有運動靈活、環境適應能力強等特點。然而，軟體機器人控制器[2-4]大都采用硬質的電子元器件，對于某些極端條件，如適應復雜和非結構化的環境。執行細微精密的操作任務，擺脫笨重、龐大的機電元件控制，開發出軟控制器[5-6]，是機器人面臨的挑戰性需求。

Wehner等[7]首次提出了第一款無電子化的自主軟體機器人，該機器人依靠機器人內部微流體邏輯振蕩輸送燃料庫的燃料進入鉑反應腔室，燃料被催化分解產生不同相位的氣體并驅動章魚機器人的8條腿。Rothemund等[8]開發了一種雙穩態軟閥，該閥門由柔性材料制作而成，能夠模擬數字電路中的基本邏輯運算，并進一步組成了氣動邏輯回路[9]，生成了氣動環形振蕩器[10]，該環形振蕩器僅用于簡單機器人滾動運動的生成，并未生成更加復雜的機器人步態。 Mahon等[11]基于微流體技術，用微開關閥模擬數字電路中晶體管的功能，設計了一個由11個流體晶體管組成的氣動T觸發器。實現了六足機器人三角步態，該邏輯回路需要3條氣動輸入，邏輯控制回路復雜。Drotman等[12]基于Rothemund等提出的雙穩態閥設計了由5個雙穩態閥組成的氣動軟閥邏輯回路，實現了無電子設備情況下四足軟體機器人的運動控制。該項研究設計的邏輯回路輸出信號與對角步態所需相位差不完全匹配，一定程度上降低了機器人運動效率。

基于Rothemund[8-10]等的研究基礎，本文提出一種新的氣動軟閥邏輯回路。該氣動回路可用于驅動并控制六足軟體機器人生成四足步態。較于傳統軟體機器人控制方法，該氣動邏輯回路避免了使用傳統控制系統所需的昂貴、笨重機電硬質器件。為軟體機器人實現全柔性以及適應更加復雜和非結構化的環境提供了一種新的解決思路和方法。

1 氣動振蕩回路設計與分析

1.1 氣動環形振蕩器設計

將3個氣動軟閥按照前一個軟閥的輸出端Q連接至后一個軟閥的輸入端K的方式便可得到氣動環形振蕩器[10]。

軟閥由硅膠材料制成，閥體被中間的半球形彈性膜隔絕為2個腔室，頂部、底部腔室均具有一條由彈性硅膠軟管組成的氣動線路。彈性管道受壓后變形扭結，半球膜在受壓后將發生彈性變形。自然常態下，頂部、底部腔室均與大氣相通，頂部腔室內由彈性管道構成的氣動線路被半球膜壓緊而形成關閉狀態，底部腔室內氣動線路為開啟狀態，此時稱為狀態一。當給頂部腔室內沖入壓縮氣體時，半球膜受流體壓力將發生變形，當壓力大于臨界壓力pt后，半球膜將發生向下的突跳屈曲，此時頂部腔室內彈性管伸直變為通路，氣動線路為開啟狀態，底部腔室內彈性管道被半球膜扭結壓緊,氣動線路為關閉狀態，此時軟閥狀態稱為狀態二。當頂部腔室內壓強減小到半球膜回彈壓力值pb時，半球膜將發生回彈，回到狀態一。頂部腔室內施加不同大小的流體壓力時，根據流體壓力值與臨界向下跳轉壓力pt和回彈壓力pb的大小關系，軟閥將在2種狀態之間切換。

圖1為氣動環形振蕩器的原理圖，氣壓源p+為每個軟閥提供能源，每個軟閥輸出端Q1、Q2和Q3分別連接A、B和C 3個驅動器。半球膜與彈性管道的不穩定性將沿環傳播。

圖1 氣動環形振蕩回路原理圖

圖1(a)為氣動軟環形振蕩器的狀態一：第一個驅動器A充氣，當其內部壓強大于pt時，將致使第二個軟閥半球膜向下跳轉，第二個軟閥頂部腔室內氣動線路開啟，驅動器B沿著第二個軟閥頂部腔室內彈性氣動線路放氣至大氣中，如箭頭方向。當第二個驅動器B放氣至壓強減小于pb后，第三個軟閥半球膜將會向上跳轉，驅動器C無法排氣并開始充氣。圖1(b)為狀態二：當驅動器C中的壓強大于pt后，第一個軟閥半球膜向下跳轉，頂部腔室彈性線路被開啟，驅動器A將沿著第一個軟閥的頂部氣動箭頭方向放氣；驅動器A放氣至壓強小于pb后，第二個軟閥中的半球膜向上回彈，頂部腔室內彈性氣動線路被壓緊而關閉，驅動器B將無法放氣而開始充氣，當驅動器B中的壓強增加至大于pt后，將會使第三個軟閥的半球膜向下跳轉，第三個軟閥頂部氣動線路被開啟，驅動器C通過軟閥頂部腔室內的氣動線路放氣至大氣中，當驅動器C內壓強減小至Pb后，第一個軟閥中半球膜將向上回彈，此時回到狀態一。前一個軟閥的狀態總是與后一個軟閥狀態相反。狀態一、狀態二將在整個環形振蕩器中循環切換，相應的輸出端口Q1、Q2和Q3可輸出相鄰相位差為120°的周期性氣壓振蕩信號。這種信號類似于低等動物中樞模式發生器(CPG)產生的周期振蕩信號，可用于軟體機器人的驅動與控制。

1.2 氣動環形振蕩回路建模與分析

基于Rothemund等[8-10]的研究，氣動環形振蕩器可通過與CMOS環形振蕩電路(如圖2所示)的對比來理解與分析。

圖2 CMOS環形振蕩電路

R=Rtube+Rvalve

(1)

在流體流動狀態為層流的基礎上，利用達西-威斯巴哈方程式可得：

(2)

式中:μ為空氣的動力黏度；L為管道的長度；ρ為空氣密度；d為管道的內徑。

整個回路的氣動電容包括各個軟閥內部的氣動電容Cvalve，以及輸出到驅動器A、B和C的氣動電容Cchamber，即：

C=Cchamber+Cvalve

(3)

(4)

式中:V0為A、B和C的空氣體積；M為空氣的摩爾質量；RU為通用氣體常數；T為空氣的溫度。

在軟閥和驅動器充氣過程中，空氣從壓力源流經軟閥腔室以及驅動器，放氣過程中，空氣通過軟閥的內部管道以及外部管道排到大氣中，由此可得：

(5)

式中：dp/dt為壓強P對時間t的導數,在軟閥充氣過程中，pi=pt；在軟閥放氣過程中，pi=patm;pi為壓力源，p為驅動器內部壓強，pt為半球膜向下跳轉的臨界壓力,patm為大氣壓強。

式(5)的一般解為：

(6)

每個軟閥充/放氣時間總和即為該氣動環形振蕩器的振蕩周期。由式(6)得振蕩周期T為：

(7)

Pb為半球膜向上回彈的臨界壓力值，Pt為半球膜向下跳轉臨界壓力值。經試驗測得pt與pb的數值分別為pt=28.6 kPa、pb=23.6 kPa。由式(7)可知，氣動電容C與振蕩周期呈正比關系、流體流動阻力R與振蕩周期為正比關系，而供給壓力P+在一定范圍內與振蕩周期為負相關的關系，如圖3所示。因此，改變壓力源大小、驅動器氣動電容和氣動阻力均能調整振蕩周期的大小。

圖3 供給壓力與振蕩周期函數關系曲線

2 六足軟體機器人結構設計

為驗證氣動軟閥邏輯回路在軟體機器人控制中的可行性。依據仿生學原理，設計了一種用于軟體機器人的氣動腿驅動器。通過3D打印驅動器模具，用硅橡膠材料E620進行澆注、脫模，然后用連接件密封可得到氣動腿驅動器。

該腿驅動器由4個相同容積大小的內圓柱形腔室組成，給任意相鄰的2個腔室充入足夠壓強的氣體，由于氣體在密封腔室內的各向同性膨脹以及基體結構的不對稱性產生各向異性的變形，機器人腿將會向著充氣腔室的相對方向彎曲[13-14]。機器人的整體結構如圖4所示。

圖4 機器人整體結構

機器人軀體外觀為圓形，機器人腿呈正六邊形分布在各頂點上，以機架中軸為對稱軸呈兩邊對稱排布。且每條腿與地面和機架均呈90°，這樣排布使得每條腿的運動平面保持一致，便于控制。

3 六足軟體機器人運動控制

3.1 基于氣動CPG的控制策略

自然生物直接受CPG控制產生自激振蕩、相位互鎖的節律性運動，為機器人的步態控制提供了新的思路[15]。

常見的六足軟體機器人的步態規劃中，四足步態由于其行走速度適中、穩定性強等特點表現出較強的環境適應能力。四足步態中，機器人6條腿被成對地分為3組，3組腿需要3組不同相位的信號控制來實現依次的擺動以及支撐的動作，按每組腿的擺動順序，不同組腿的相位差依次相差1/3個周期，每組腿處于擺動相和支撐相的時間分別占一個步態周期的1/3和2/3。

基于3個氣動軟閥組成的氣動環形振蕩器可輸出3個不同相位的氣壓振蕩信號，相鄰2個輸出信號相位差為120°，此種振蕩模式具備自發產生規律的氣壓周期信號，每個輸出的氣壓信號相位互鎖的特點。這些特點與CPG控制機理高度相似，而且氣動振蕩信號既作為控制信號也作為驅動能源用于驅動并控制機器人，簡化了傳統電路元件控制電磁閥，電磁閥控制機器人驅動器的控制過程。因此，氣動環形振蕩器可作為氣動CPG用于六足軟體機器人生成四足步態。

3.2 氣動軟閥邏輯回路設計

六足軟體機器人的氣動軟閥邏輯控制回路原理如圖5所示。

圖5 用于控制六足軟體機器人的氣動軟閥邏輯回路原理圖

為便于描述，將六足軟體機器人的左側前腿、中腿和后腿以及右側前腿、中腿和后腿分別命名為L1、L2和L3與R1、R2和R3。取L1、R2為A組，L2、R3為B組，L3、R1為C組。以A組腿為例，每條腿具有4個圓柱形內腔室，相鄰的2個腔室組合分別有A1、A2、A3和A4 4種組合方式，每一組腿相應的腔室組合命名相同。對成對腔室充氣/放氣將導致機器人腿彎曲，機器人重心發生偏移，依靠與地面的摩擦力實現行走。

設計了一種三通雙穩態軟閥，該閥與單通雙穩態軟閥工作原理一致，頂部、底部腔室分別存在3條相互獨立的彈性氣動線路，用以同時控制氣動環形振蕩回路的3個輸出信號的開啟與關閉。

氣動環形振蕩回路的Q1、Q2和Q3三個輸出端口分別與三通雙穩態軟閥的底部、頂部腔室內的3條氣動線路的一端連接，三通軟閥的底部腔室內的彈性線路另一端分別與軟體機器人的A1、B1和C1三對腔室相連，三通軟閥頂部腔室內的3條氣動線路另一端分別與A3、B3和C3三對腔室相連。對三通雙穩態軟閥的頂部腔室內充/放適當壓強的氣體可改變三通軟閥的工作狀態，從而切換氣動環形振蕩回路的輸出端Q1、Q2和Q3與A1、B1和C1或A3、B3和C3端口的連接，當Q1、Q2和Q3與A1、B1和C1連通時，A、B和C組腿將以不同相位差分別向A3、B3和C3方向彎曲，機器人重心將向彎曲的反方向偏移，依靠機器人腿與地面摩擦力，軟體機器人將向著A1、B1和C1方向運動，當Q1、Q2和Q3與A3、B3和C3三對腔室連通時，軟體機器人腿將向著A1、B1和C1方向彎曲，機器人重心向A3、B3和C3方向偏移，機器人將向著A3、B3和C3方向運動，基于此運動原理，六足軟體機器人可實現前進或后退。

為便于控制，設計了手動控制器，手動控制器由半球形彈性膜及腔室構成。通過按壓/松開手動控制器可關閉/打開經過控制器的氣動線路，2個控制器的配合可切換三通軟閥的工作狀態，從而切換Q1、Q2和Q3與A1、B1和C1，A3、B3和C3端口的連接，進而實現六足軟體機器人的前進或后退。

4 運動控制實驗

采用電動空氣壓縮機OTS-550作為壓力源，與精密調壓閥IR2000連接用于精確調節壓力源的大小。

經此前測試，單通軟閥半球膜向下的臨界跳轉壓力值pt1=28.6 kPa，回彈臨界壓力值為pb1=23.6 kPa，三通軟閥的臨界壓力值pt2和pb2分別約為35.5 kPa和30.2 kPa。

在滿足各個軟閥能正常工作的前提下，將氣壓源p+通過調壓閥調節至大約為50 kPa。同時，利用單片機STM32F103采集邏輯回路輸出端Q1、Q2和Q3的壓強數值，采集區間為0～15 s，采集頻率為50 Hz。

選擇3種不同地形：平坦地面、沙土地面和巖石地面，對3種不同工況條件下機器人運動特性進行測試實驗，并對其步態周期等性能進行對比分析。

平坦地面上六足軟體機器人運動狀態如圖6所示。

圖6 平坦地面六足軟體機器人運動狀態圖

圖7為機器人在平坦地面下運動采集的氣動邏輯回路相應的輸出端壓強曲線，Q1、Q2和Q3輸出信號為周期性氣動振蕩信號，在起始約0～2.8 s內，3個氣動軟閥均開始充氣膨脹，并自發形成振蕩，任一端口輸出信號曲線上的兩相鄰峰值之間的時間差值為振蕩周期，取多組數據求平均值可得每種工況下的機器人步態周期。

圖7 平坦地面邏輯回路輸出端壓強曲線

將六足機器人置于沙土地面進行運動控制測試實驗，機器人運動狀態如圖8所示。同時采集15 s內氣動邏輯回路3個輸出端Q1、Q2和Q3的氣體壓強輸出曲線，如圖9所示。

圖8 沙土地面機器人運動狀態圖

圖9 沙土地面邏輯回路輸出端壓強曲線

對六足機器人進行巖石地面運動特性試驗。機器人運動狀況如圖10所示，其軟閥邏輯回路輸出端壓強曲線如圖11所示。

圖10 巖石地面六足軟體機器人運動狀態圖

圖11 巖石地面邏輯回路輸出端壓強曲線

在平坦地面、沙土地面和巖石地面的六足機器人運動特性試驗表明：軟體六足機器人具備被動適應崎嶇環境的高靈活性能力。如圖6、圖8和圖10所示，在不同工況條件下，軟體機器人表現為不同的變形運動。由軟閥邏輯回路控制的六足機器人步態周期取決于氣動邏輯回路中軟環形振蕩器振蕩周期的大小。如圖7、圖9和圖11所示，輸出端Q1、Q2和Q3相鄰相位差約為120°，這與六足機器人四足步態所需相位差氣壓信號相匹配。3種工況下機器人步態周期依次為：T1≈3.02 s、T2≈4.10 s和T3≈4.96 s。基于前文分析中氣動阻力對氣動邏輯回路振蕩周期的影響規律，由于相同氣壓源條件下，對于平坦地面、沙土地面和巖石地面，障礙物逐漸增多，軟體機器人腿內腔室氣體在運動過程中所受到流動阻力逐漸增大，每條腿克服阻力達到所需工作壓強的時間遞增，機器人運動速度降低，相應的軟體機器人的步態周期表現為遞增的規律。

5 結論

1) 提出了可用于六足軟體機器人運動控制的無電子化全柔性控制方式。其控制回路由全部采用柔性硅膠材料制造的軟閥構成，與傳統軟體機器人控制方法相比，沒有笨重、昂貴的硬質機電部件。

2) 分析了氣動軟閥邏輯回路振蕩周期的影響規律。驗證了氣動軟閥邏輯回路控制六足軟體機器人生成四足步態的可行性。

3) 為軟體機器人實現完全柔軟性以及在躲避電子監測、防電火花和禁止金屬物質出現等極端環境下的應用提供了新的思路和方法。