模塊化氣動軟體爬行機器人的設(shè)計與分析

摘要：【目的】模塊化軟體機器人具備高柔韌性與理論上的無限自由度，可以適應(yīng)各種復(fù)雜的環(huán)境和任務(wù)需求。為此，設(shè)計了一種仿蜂巢軟體驅(qū)動單元，將多個該單元連接組成可以實現(xiàn)不同功能的模塊化驅(qū)動軟體機器人。【方法】對設(shè)計的仿蜂巢軟體驅(qū)動單元進(jìn)行了材料選擇與力學(xué)分析，建立了軟體驅(qū)動單元內(nèi)部驅(qū)動氣壓與變形量之間的非線性關(guān)系模型，并采用有限元仿真驗證了該模型的有效性；基于仿蜂巢軟體驅(qū)動單元模塊，設(shè)計了伸縮型軟體機器人和雙向彎曲型軟體機器人，并對兩種構(gòu)型的軟體機器人進(jìn)行有限元仿真；最后，進(jìn)行了軟體機器人的制作以及模塊化驅(qū)動軟體機器人的試驗研究。【結(jié)果】仿真結(jié)果表明，雙向彎曲型軟體機器人比相同長度的伸縮型軟體機器人在伸縮變形范圍上更大，其承載能力較伸縮型軟體機器人也更好。試驗結(jié)果表明，雙向彎曲型軟體機器人可以實現(xiàn)仿蠕蟲的直線爬行與轉(zhuǎn)向運動。并且兩種構(gòu)型的軟體機器人試驗結(jié)果與仿真結(jié)果基本保持一致。

關(guān)鍵詞：模塊化；氣動軟體機器人；非線性模型；結(jié)構(gòu)仿真分析

中圖分類號：TP242 DOI：10. 16578/j. issn. 1004. 2539. 2025. 01. 008

0 引言

傳統(tǒng)的剛性機器人由數(shù)量不等的剛性結(jié)構(gòu)連接而成，這樣的設(shè)計可以使得機器人具有高精確性，但是犧牲了靈活性、適應(yīng)性、與人機交互時的安全性[1]。基于這些問題，研究人員將視線轉(zhuǎn)移到自然界中，通過觀察仿生軟體生物的生物結(jié)構(gòu)及運動機制，提出了軟體機器人這一概念。

仿生軟體機器人作為一種新型柔軟機器人，其結(jié)構(gòu)柔軟、可以連續(xù)變形且功能多樣，比傳統(tǒng)剛性機器人更加柔軟安全，在人機交互、易碎品夾持和狹隘空間工作等方面擁有巨大的優(yōu)勢[2]。但軟體機器人自身構(gòu)型無法改變，假如針對每種環(huán)境設(shè)計各式的軟體機器人將產(chǎn)生資源浪費，而剛性機器人領(lǐng)域的模塊化機器人由1個或多個運動單元組成，其自身變形能力強，運動形式豐富。

模塊化軟體機器人是一種將軟體機器人和模塊化機器人的優(yōu)勢結(jié)合起來的機器人技術(shù)。它不僅具備軟體機器人獨有的高柔韌性與理論上的無限自由度[3]，可以適應(yīng)各種復(fù)雜的環(huán)境和任務(wù)需求，并且還繼承了模塊化機器人的模塊化設(shè)計優(yōu)勢，模塊單元之間可以靈活組合以適應(yīng)不同的任務(wù)需求。因此，模塊化軟體機器人在適應(yīng)性、靈活性、可重構(gòu)性等方面具有明顯的優(yōu)勢。通過改變模塊數(shù)量及模塊之間的連接狀態(tài)，模塊化軟體機器人可以形成不同的構(gòu)型，執(zhí)行多種任務(wù)，具備廣泛的應(yīng)用前景[4]。

1 軟體驅(qū)動單元結(jié)構(gòu)設(shè)計

1. 1 仿蜂巢軟體驅(qū)動單元結(jié)構(gòu)設(shè)計

自然界中各種各樣的軟體動物為我們研究軟體機器人提供了大量藍(lán)圖[5-6]，它們通過一些精巧的結(jié)構(gòu)來連續(xù)不斷地改變自身結(jié)構(gòu)，從而在優(yōu)勝劣汰的自然選擇中生存下去。軟體機器人的設(shè)計不僅僅局限于軟體動物，可以借鑒自然界中的各種現(xiàn)象和機制。圖1所示即為蜂巢結(jié)構(gòu)給機械設(shè)計帶來的啟示。蜂巢結(jié)構(gòu)是人類根據(jù)仿生學(xué)的啟發(fā)從蜜蜂的六邊形巢穴中開發(fā)的新型材料結(jié)構(gòu)，獨特的六邊形結(jié)構(gòu)既保證了輕量化特性，又大大提高了自身的結(jié)構(gòu)強度[7]。