軟體末端執行器的研究現狀★

仲天賜，陸明月，吳言言

（江蘇理工學院機械工程學院，江蘇 常州 213001）

0 引言

隨著近年來經濟的快速發展，以及自動化控制、工業制造、機器人形態學等方面技術的不斷進步,機器人作為交叉學科匯聚了各方面的頂尖技術，在人類社會中扮演著越來越重要的角色[1]。傳統機器人大多是由剛性材料構成，其結構復雜、體型較大、靈活性差，滿足不了如管道探傷、果蔬采摘等復雜環境的作業需求。而軟體機器人主要由硅膠、編織物等柔性材料組成，其結構簡單、變形較大、運動靈活，可適應于狹窄空間、復雜表面等環境，因此成為眾多學者的研究熱點[2]。

軟體末端執行器是軟體機器人與目標表面直接接觸的關鍵部件，為提高末端執行器的適應性、降低對周圍環境破壞和損傷，人們對軟體末端執行器的設計與研制展開了如火如荼的研究。上海交通大學谷國迎團隊使用纖維增強技術制造了三指軟執行器，氣體驅動執行器能夠實現無損抓取[3]。然而，目前研究的軟體末端執行器仍存在末端力小、抓取不穩定、可控性差的問題，為了解決這些問題，學者們從驅動方式、結構與材料組成、材料與制作等方面進行技術優化，本文將對此展開詳細論述和探討。

1 軟體執行器驅動

現有研發的軟體執行器主要采用形狀記憶金屬（Shape Memory Alloy，SMA）驅動、電活性聚合物（Electroactive Polymers，EAP）驅動、氣體驅動等驅動方式。

1.1 SMA 軟體執行器

基于SMA 驅動的軟體執行器能夠在溫度調控下變形并恢復其最初形狀，從而產生驅動力使執行器進行彎曲和卷曲運動，這些執行器控制裝置簡單、體積小、質量輕，如圖1 所示a，加熱狀態下能夠使得SMA發生膨脹彎曲，寬的SMA 加熱使執行器向內彎曲，窄的SMA 加熱使得執行器恢復原來的位置。

圖1 SMA 手指的變形與恢復的狀態

1.2 EAP 軟體執行器

EAP 軟體執行器通常是由離子聚合物（離子交換膜）和離子交換聚合金屬材料（Ion-exchange Polymer Metal Composite，IPMC）、導電聚合物、介彈性體、凝膠和碳納米管（Carbon Nanotubes，CNTs）等材料制作而成。導電聚合體是半導體經過氧化電導率，還原后半導體的電導率可以施加電勢控制。因此，導電聚合物具有柔韌性、適應性和高導電性等特點，適合應用于電控軟體執行器。如圖2 所示，執行器的兩種狀態EAP 執行器負載能力較低，需要較大的電力源驅動。

圖2 由乙醇與有機硅彈性體混合基質肌肉

1.3 氣動軟體執行器

氣體驅動具有反應速度快、無污染的特點，也是比較常見的一種驅動方式。氣動軟體執行器種類較多，結構形態各異。研究人員使用多腔室結構或者是單腔室的結構制作驅動器，這些驅動都擁有主動層和被動層。通過氣壓的變化控制主動層的彎曲變化，可以使得主動層與被動層產生彎曲形變，實現軟執行器的彎曲。氣壓驅動輸出的力較大，響應速度較快、較好控制，但能耗較高。

2 軟體執行器結構

對于軟體執行器結構上的改變現有方式有改變多腔室的腔室結構，對單腔室附加纖維。

2.1 單腔室纖維增強

單腔室的執行器有易于制造、密封性強的優點。為了彌補末端力的不足和方便控制，在其外表面增加了纖維增強。各向異性管的非線性理論，以及簡單的運動學模型表明，加壓纖維增強空心圓柱體能夠進行多種運動。

單腔式執行器在單個氣腔上進行了改變，將其單個腔室劃分為三個均勻腔室，每個腔室都連接氣管，分別進行延伸與轉向的作用。可以讓執行器更好地通過T 形彎管的連接處，圖3 為執行器的結構[4]。

圖3 單腔式執行器

2.2 氣動網格執行器

目前，氣動網格執行器都是由軟材料制成，由于抓取的對象差異性大、材料非線性等特點，導致結構參數差異較大,相應的設計方法和理論較為缺乏。現在的理論多基于非線性模型。多腔室執行器相比較單腔式執行器接觸面積更大，抓取能力與穩定性更強，在腔室釋放壓力時，整個執行器在軸向發生形變，降低因材料非線性的影響，整個執行器趨于正常的常曲率結構。圖4 為氣動網格執行器的結構[5]，氣動網格執行器分為慢速氣動腔室和快速氣動腔室，如圖5 所示。從圖5-1 可看出，慢速氣動中兩個腔室之間互相連接的部分為內壁，內壁厚于外壁。在施加氣壓時，外壁是最薄弱的部分先膨脹拉伸內壁，使得執行器整個部分發生彎曲[6]。

圖4 氣動網格執行器

圖5 氣動腔室

從圖5-2 可看出，快速氣動腔室膨脹延伸到每個腔室之間，內壁互相擠壓。內壁比外壁更薄，當施加氣壓時，內壁的剛度降低，會比外壁先一步的膨脹，外壁的壓力相對于內壁變小。由于腔室之間膨脹互相擠壓會使主動層向著長度方向快速延伸。

3 制造與材料

軟體執行器使用柔韌性較好的材料，在能夠滿足無損抓取的同時也能夠滿足性能的需求。隨著技術和研究的深入，使用的柔性材料越來越多，例如SMA、EAP、纖維、聚合物和磁流體等仿生材料。

這些材料通常使用澆鑄來鑄造完成，使用3D 打印技術制作出模具，制作出所需要的執行器。這種方法成本低、成型快，適合多種材料組合使用。隨著技術的發展，現有新技術4D打印制作軟體抓手如圖6 所示[7]。使用增材制造技術對智能材料進行快速成形，在環境的刺激下，使3D 結構發生改變進而形成4D 結構。

圖6 4D 打印

4 結語

軟體執行器涉及材料學、機械設計和制造、傳感器及控制等多個學科，其憑借靈活性高、適應性好、制作成本低等優勢，在醫療、農業等領域具有廣泛的應用前景。能夠實現無傷、便捷和穩定的抓取目標是執行器的關鍵任務，研究出不同結構和不同屬性的執行器是近期較為熱門的課題。對于現存執行器末端力不足的問題，可以在結構上加以改變，使用兩種及其以上的結構結合在一起，利用不同種的驅動方式結合起來，互相彌補不足之處，來滿足不同任務的需求。