何 斌，王志鵬，唐海峰

（同濟(jì)大學(xué) 電子信息與工程學(xué)院，上海201804）

進(jìn)入21世紀(jì)以來，機(jī)器人技術(shù)廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)、勘探勘測、醫(yī)療服務(wù)、軍事偵察等領(lǐng)域，對于國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)具有重要意義［1］.傳統(tǒng)機(jī)器人多由基于硬質(zhì)材料（金屬、塑料等）的剛性運(yùn)動副連接構(gòu)成，能夠完成快速、精確、可重復(fù)位置或力控制任務(wù).但這種機(jī)器人運(yùn)動靈活性有限，環(huán)境適應(yīng)能力很低，只能在結(jié)構(gòu)化環(huán)境下工作.這些缺點(diǎn)限制了剛性機(jī)器人在動態(tài)、未知、非結(jié)構(gòu)化的復(fù)雜環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用，如軍事偵察、災(zāi)難救援以及科學(xué)探測等.

通過增加自由度，可以大幅度提高機(jī)器人運(yùn)動靈巧性.因此，研究者們在剛性機(jī)器人的基礎(chǔ)上增加了更多自由度使其具有一定的連續(xù)變形能力，形成了超冗余度機(jī)器人.這種機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)能力較剛性機(jī)器人有所提高.但其本體仍然由硬質(zhì)材料組成，不能任意改變尺寸和大小，在特定環(huán)境中應(yīng)用時需要提供障礙物形狀尺寸等先驗(yàn)環(huán)境信息.

在自然界中，軟體動物廣泛分布于海水、淡水及陸地［2］.經(jīng)過億萬年的自然優(yōu)化，這種動物的軟體組織具有變形大、質(zhì)量輕，功率密度比高的特點(diǎn)，可以使其通過改變身體形狀在復(fù)雜自然環(huán)境條件下高效運(yùn)動.近年來，研究者以軟體動物為原型，提出了軟體機(jī)器人［3］.這種機(jī)器人由可承受大應(yīng)變的軟體材料組成，具有無限自由度和分布式連續(xù)變形能力.通過模擬生物的形態(tài)結(jié)構(gòu)，能夠爬行、扭動、蠕動穿過狹小的空間和實(shí)現(xiàn)抓取等操作，在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中應(yīng)用前景廣泛［4-5］.它可以通過不同構(gòu)型使末端執(zhí)行器到達(dá)三維工作空間的任意一點(diǎn).與硬質(zhì)材料構(gòu)成的超冗余度機(jī)器人相比，軟體機(jī)器人對壓力有很小的阻抗，可以通過柔順變形的方式與障礙物相容［4］.這樣可以大幅度降低接觸力，從而使軟體機(jī)器人可以搬運(yùn)柔軟或易碎的物品.

軟體機(jī)器人是一個新的，正在迅速發(fā)展的領(lǐng)域.它以材料科學(xué)，機(jī)構(gòu)學(xué)和控制科學(xué)為基礎(chǔ)，以利用軟體材料的“機(jī)械智能”使機(jī)器人獲得更簡單的高效運(yùn)動為目標(biāo).本文介紹了軟體機(jī)器人的研究現(xiàn)狀、仿生機(jī)理、驅(qū)動方式、建模與控制方法，探討軟體機(jī)器人技術(shù)研究中的難點(diǎn)和熱點(diǎn)，以及可能的發(fā)展趨勢.

1 研究現(xiàn)狀

軟體機(jī)器人是一種新型連續(xù)體仿生機(jī)器人.雖然在生物學(xué)中軟體生物組織結(jié)構(gòu)理論已經(jīng)相當(dāng)成熟，但目前對軟體機(jī)器人的研究仍處于起步階段，在設(shè)計(jì)具有類軟體生物組織結(jié)構(gòu)的仿生軟體機(jī)器人基礎(chǔ)上進(jìn)行運(yùn)動控制和步態(tài)規(guī)劃是研究趨勢.現(xiàn)有軟體機(jī)器人按功能特性可以分為兩類：具有爬行、蠕動、游動、跳躍能力的運(yùn)動型機(jī)器人［6-8］和具有抓取、提升物體能力的操作型機(jī)器人［9-10］.

由歐洲委員會資助的“章魚觸手”項(xiàng)目組通過研究章魚本體和觸手的全局協(xié)同運(yùn)動和控制機(jī)理，開發(fā)了可以水下工作的仿生章魚觸手，并提出了相應(yīng)的控制方法［11-12］.美國塔夫茨大學(xué)的 Huai-Ti Lin等人研制的GoQBot軟體機(jī)器人具有和毛毛蟲一樣的滾動彈射能力［13］.麻省理工學(xué)院、哈佛大學(xué)和韓國漢城國立大學(xué)的研究人員聯(lián)合研發(fā)的Meshworm機(jī)器人，通過在聚合管周圍環(huán)繞網(wǎng)格狀形狀記憶合金（Shape memory alloy，SMA）線模擬蚯蚓蠕動并能抵抗強(qiáng)大的沖擊［14］.采用新型軟體材料，利用特殊化學(xué)反應(yīng)驅(qū)動的化學(xué)軟體機(jī)器人，近年來成為了研究熱點(diǎn)：哈佛大學(xué)Wyss生物工程研究院的George M.Whitesides等在DARPA（美國國防部先進(jìn)研究項(xiàng)目局）支持下開展了多種化學(xué)軟體機(jī)器人工作［15-18］；日本早稻田大學(xué)的Shingo Maeda等采用凝膠材料研制的仿生尺蠖，利用Belousov-Zhabotinskii（B-Z）化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)了周期性伸縮運(yùn)動［19］.橫濱大學(xué)的Shutaro Saito等采用光敏離子膠研制了軟體微型夾具，可以夾持質(zhì)量為3mg的重物［20］.

國內(nèi)對軟體機(jī)器人的研究雖然起步較早，但研究工作的延續(xù)性、系統(tǒng)性不強(qiáng)，且主要集中在基于SMA的軟體機(jī)器人研究.上海交通大學(xué)的馬建旭等1999年就提出了一種適用于微小軟管移動的仿蚯蚓蠕動式微機(jī)器人［21］，可以在直徑20mm的管道中蠕動前進(jìn)，但受SMA冷卻時間的限制，最大運(yùn)動速度僅為15mm·min-1.2011年中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的楊杰等設(shè)計(jì)的基于狀記憶合金驅(qū)動的軟體機(jī)器人具有滾動、Ω爬行、蠕動三種運(yùn)動形式，并引入了運(yùn)動形式切換的思想［22］.此外還有浙江大學(xué)設(shè)計(jì)的仿生蚯蚓［23］、哈爾濱工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)的柔性鰭單元［24］、同濟(jì)大學(xué)設(shè)計(jì)的仿章魚臂柔性體機(jī)器人［25］等.

2 仿生機(jī)理

動物的身體結(jié)構(gòu)隨中樞神經(jīng)系統(tǒng)共同進(jìn)化，形成了完備的一體化神經(jīng)-機(jī)械控制系統(tǒng)［26］.其中軟體組織對于動物來說至關(guān)重要，有利于適應(yīng)不斷變化的復(fù)雜環(huán)境：動物與環(huán)境接觸過程中，軟體組織與環(huán)境接觸面大，與環(huán)境貼合更緊密；來自環(huán)境的反作用力大范圍分布于軟體組織表面，又能夠減小沖擊.軟體結(jié)構(gòu)也有一定的局限性，其沒有剛性骨骼來承載自身重量，通常質(zhì)量較小.自然界中幾乎所有大型無脊椎軟體動物均生存在水或地下環(huán)境中，依靠環(huán)境媒介支撐身體結(jié)構(gòu).此外，軟體結(jié)構(gòu)的大形變、能量吸收特性降低了慣性力的作用效果，也限制了軟體動物的移動速度.

研究典型軟體動物在復(fù)雜環(huán)境中如何運(yùn)動、如何與非結(jié)構(gòu)化環(huán)境進(jìn)行交互，能為機(jī)器人在醫(yī)療、搜索營救、災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)等領(lǐng)域的應(yīng)用提供借鑒.

2.1 蠕蟲

蠕蟲由表皮、肌肉、體液、神經(jīng)系統(tǒng)組成.身體呈管狀、體積恒定，是典型的流體靜力骨骼結(jié)構(gòu)［26-27］.這種生物的運(yùn)動由環(huán)肌和縱肌的頡抗形成.如圖1所示，縱肌收縮增加直徑，環(huán)肌收縮減小直徑，通過各節(jié)段肌肉收縮和擴(kuò)張產(chǎn)生行進(jìn)波向前移動，與腸蠕動過程相似.基于流體靜力骨骼原理，文獻(xiàn)［28］設(shè)計(jì)了由空氣閥、金屬彈簧、熱塑性軸承組成的壓力驅(qū)動器.文獻(xiàn)［29］采用印制電路板做支撐、嵌入硅樹脂和介電彈性體，實(shí)現(xiàn)了類蠕蟲運(yùn)動.

圖1 蚯蚓身體結(jié)構(gòu)［26］Fig.1 Muscular structure of oligochaeta（earthworm）［26］

2.2 毛蟲

毛蟲與蠕蟲外形相似，卻具有完全不同的解剖結(jié)構(gòu)和運(yùn)動機(jī)制［26］.其軀干看似分成節(jié)段，內(nèi)部實(shí)質(zhì)連接成一體，也屬于流體靜力骨骼.毛蟲肌肉組織相當(dāng)復(fù)雜，多達(dá)2 000個運(yùn)動單位分布在整個身體中.其肌肉組織包括縱肌、斜肌和軀干其他部位的小型肌肉，但不含環(huán)肌，如圖2所示.毛蟲爬行是通過利用環(huán)境對基底的壓力控制身體張力的釋放實(shí)現(xiàn)的，通過調(diào)整肌肉張力來增加身體剛度以產(chǎn)生運(yùn)動越過障礙.此時肌肉周圍的環(huán)境可以看做機(jī)能上的骨骼，稱為環(huán)境骨骼［30］.GoQBot軟體機(jī)器人［13］具有和毛蟲一樣的外形和滾動彈射能力.其身體細(xì)長10cm，以硅膠和嵌入式SMA驅(qū)動線圈制成，能快速變成圓形，釋放足夠大的彈性能量向前滾動.變形過程只需100ms，達(dá)到大約1g的加速度、200r·min-1的轉(zhuǎn)速，推動機(jī)器人以200cm·s-1的線速度向前運(yùn)動.

圖2 毛蟲身體結(jié)構(gòu)［26］Fig.2 Major muscle group in Manduca［26］

2.3 頭足類動物

頭足類動物（如章魚、烏賊）能完成極其復(fù)雜的柔性運(yùn)動，改變身體形狀模擬環(huán)境.八爪章魚的每只觸手都可以改變長度、任意彎曲［31］，雖然身體沒有剛性骨骼支撐，卻能在一定范圍內(nèi)改變剛度，如圖3所示.文獻(xiàn)［32］指出，章魚對觸手的控制是分布式的，僅僅通過刻板的運(yùn)動實(shí)現(xiàn).文獻(xiàn)［33］對章魚身體各部分的運(yùn)動進(jìn)行分類和分析后發(fā)現(xiàn)，章魚復(fù)雜運(yùn)動過程中中樞神經(jīng)系統(tǒng)并不占主導(dǎo)作用，絕大多數(shù)指令信息直接由沿觸手分布的神經(jīng)系統(tǒng)下發(fā).這表明，中樞神經(jīng)系統(tǒng)并不精密控制觸手每個部分的運(yùn)動，身體與環(huán)境反饋之間的交互會導(dǎo)致相應(yīng)的自主運(yùn)動.

圖3 章魚觸手結(jié)構(gòu)［31］Fig.3 Octopus arm anatomy［31］

3 驅(qū)動方式

軟體機(jī)器人具有無限多自由度，但驅(qū)動器數(shù)目有限，屬于欠驅(qū)動機(jī)器人，因而分布式負(fù)載、局部變形都會影響機(jī)器人的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，進(jìn)而影響運(yùn)動或操作的精確度.其自由度與驅(qū)動器不是一對一的關(guān)系，多個自由度與驅(qū)動器之間存在耦合，而且并非所有自由度均可控.驅(qū)動機(jī)構(gòu)作用引起的形變由驅(qū)動機(jī)制、驅(qū)動力大小、驅(qū)動器大小、形狀和位置共同決定.這種驅(qū)動、結(jié)構(gòu)一體化的功能特點(diǎn)限制了電機(jī)等多種傳統(tǒng)驅(qū)動器的應(yīng)用，目前軟體機(jī)器人的驅(qū)動方式主要有如下幾種.

3.1 SMA驅(qū)動

SMA是一種在加熱升溫后能完全消除其在較低溫度下發(fā)生的變形，恢復(fù)變形前原始形狀的合金材料，具有高質(zhì)量應(yīng)力比，被廣泛用作柔性驅(qū)動器材料.但是SMA絲產(chǎn)生的應(yīng)力受溫度變化影響較大，不同環(huán)境下的魯棒溫度控制是一個難點(diǎn)，而且在加熱過程中會消耗大部分輸入能量，因而效率很低.此外，過熱、超限應(yīng)變等問題會導(dǎo)致SMA驅(qū)動器永久損壞.文獻(xiàn)［34］中首先在類蠕蟲機(jī)器人中采用了SMA，之后研究者開始普遍采用其作為驅(qū)動器.Meshworm［14］是最新采用SMA的機(jī)器人，如圖4所示.它不同于蠕蟲的定體積機(jī)制，是基于定長度設(shè)計(jì)，某節(jié)段的徑向SMA收縮引起相鄰節(jié)段徑向SMA擴(kuò)張，其與地面接觸過程中產(chǎn)生蠕動前進(jìn)所需的推進(jìn)力.

圖4 Meshworm機(jī)器人樣機(jī)［14］Fig.4 Prototype of Meshworm robot［14］

3.2 氣動-液壓驅(qū)動

氣動-液壓驅(qū)動技術(shù)成熟，反應(yīng)速度較快，功率密度高，但一般驅(qū)動設(shè)備體積大，受輔助系統(tǒng)的限制.氣動-液壓驅(qū)動需要空氣、液體流通的管道，Shepherd R F提出在軟體機(jī)器人本體制作過程將管道嵌入其中，形成驅(qū)動-結(jié)構(gòu)一體化，提高驅(qū)動效果的同時有效避免滲漏，如圖5所示［16］.該機(jī)器人采用低壓空氣即可驅(qū)動，采用的最高氣壓為7psi（即50.662 5kPa）.

圖5 哈佛大學(xué)多步態(tài)軟體機(jī)器人［16］Fig.5 Multigait soft robot（Harvard University）［16］

3.3 電活性聚合物驅(qū)動

電活性聚合物（electroactive polymer，EAP）是一類能夠在外加電場作用下，通過材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)改變而產(chǎn)生伸縮、彎曲、束緊或膨脹等各種形式力學(xué)響應(yīng)的新型智能高分子材料.根據(jù)電活性聚合物的致動機(jī)理，可以將其分為電子型EAP和離子型EAP兩大類［35］.電子型EAP通常需要千伏級的驅(qū)動電壓，所以應(yīng)用局限性很大.而離子型EAP在較低外加電場作用下即可發(fā)生彎曲變形［36］，如圖6所示.在機(jī)器人和生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣泛，但是機(jī)械強(qiáng)度還有待提高.

圖6 離子型EAP［36］Fig.6 Ionic EAP［36］

3.4 化學(xué)驅(qū)動

化學(xué)驅(qū)動方式是指利用化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，從而驅(qū)動機(jī)器人運(yùn)動.目前代表性的化學(xué)反應(yīng)有能產(chǎn)生巨大瞬時驅(qū)動力的燃燒反應(yīng)和能產(chǎn)生自主周期性驅(qū)動力的B-Z化學(xué)振蕩反應(yīng).哈佛大學(xué)Robert F.Shepherd等最新研制的三足軟體機(jī)器人采用軟刻蝕工藝制造，利用電火花引發(fā)甲烷燃燒產(chǎn)生的爆發(fā)力快速驅(qū)動機(jī)器人“跳躍”［18］.機(jī)器人0.2s內(nèi)躍起高度可達(dá)自身高度的30倍，最大上升速度約為3.6m·s-1，但其能量轉(zhuǎn)化效率僅為0.7%.早稻田大學(xué)的Shingo Maeda等研究了基于B-Z化學(xué)振蕩反應(yīng)的凝膠驅(qū)動特性，研制出全球首個能自由行走的凝膠體機(jī)器人［19，37］，如圖7所示.凝膠體中的釕離子能夠有序地進(jìn)行放電、充電，從而導(dǎo)致凝膠體產(chǎn)生周期性伸縮變形.

圖7 凝膠驅(qū)動的化學(xué)機(jī)器人［19］Fig.7 Chemical robot actuated by gel［19］

4 建模與控制

4.1 軟體機(jī)器人建模

軟體機(jī)器人理論上具有無限多自由度，且工作環(huán)境復(fù)雜多變，建立其精確物理模型難度極大.現(xiàn)有的機(jī)器人運(yùn)動學(xué)動力學(xué)建模方法多基于剛性連接機(jī)制，無法直接應(yīng)用于軟體機(jī)器人，其建模方法可以概括為三個階段：

（1）建立軟體機(jī)器人本體材料模型，分析其多場耦合特性

目前對軟體機(jī)器人所采用柔性材料的建模大多局限于力學(xué)、電學(xué)特性分析等某一特定方面，如介電彈性體極化飽和情況下的能量收集特性［38］、導(dǎo)電硅橡膠的機(jī)械特性［39］.研究者們已經(jīng)提出了多種彈性材料大形變情況下的本構(gòu)模型，如文獻(xiàn)［40］綜合分析了聚脲彈性體的超彈性和黏彈性，建立了其超彈性O(shè)gden模型、非線性黏彈性模型，文獻(xiàn)［41］建立了硅橡膠在高應(yīng)變速率下的本構(gòu)模型.

軟體機(jī)器人通常結(jié)構(gòu)異構(gòu)、邊界條件復(fù)雜，其材料多場耦合特性還有待進(jìn)一步研究.文獻(xiàn)［42］對硅橡膠的機(jī)電耦合進(jìn)行了理論分析，文獻(xiàn)［43］提出了常規(guī)電致伸縮彈性體大形變下的熱機(jī)電完全耦合連續(xù)模型：靜電學(xué)、有限彈性學(xué)、熱力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)平衡方程及其邊界條件，和基于現(xiàn)象不變性的特定熱-電-彈性本構(gòu)方程.

（2）建立軟體動物的運(yùn)動模型，分析不同步態(tài)特征規(guī)律，完成機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃

圖8 毛蟲簡化模型［44］Fig.8 Simplified model of caterpillar［44］

文獻(xiàn)［44］中建立了毛蟲腹足區(qū)段的二維可伸縮鉸鏈模型，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)模擬彎曲，鉸鏈軸向變形模擬伸縮，如圖8所示.應(yīng)用該模型求解牛頓-歐拉方程得到每個鉸鏈的驅(qū)動力和力矩（逆動力學(xué)），可以推算出毛蟲爬行過程所受外力和內(nèi)力，力剖面圖證實(shí)毛蟲體內(nèi)壓力和張力分布是高度局部化的.北京航空航天大學(xué)的王巍等提出了由吸附模塊和關(guān)節(jié)模塊組成的松毛蟲和尺蠖爬壁機(jī)器人運(yùn)動學(xué)構(gòu)型［45］.通過步態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)基于全主動關(guān)節(jié)驅(qū)動的松毛蟲模型中存在冗余驅(qū)動問題.松毛蟲模型具有更多的可用步態(tài)，因此比尺蠖模型具有更高的安全性.

② 章魚運(yùn)動、步態(tài)建模

“章魚項(xiàng)目”組對章魚臂的運(yùn)動機(jī)理進(jìn)行了深入分析，建立了多種章魚臂機(jī)器人模型.文獻(xiàn)［46］設(shè)計(jì)了半自動化計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，用于章魚臂各種運(yùn)動過程的三維重建，有效解決了惡劣觀察條件下柔性體的追蹤重建問題，如圖9所示.文獻(xiàn)［47］分別對章魚臂伸縮和彎曲過程進(jìn)行了建模分析.文獻(xiàn)［48］測量得到了章魚臂伸縮的力學(xué)特性參數(shù)，包括縱向伸長和直徑減少比例、平均拉力、收縮速度等.

圖9 章魚臂運(yùn)動三維重建［46］Fig.9 Snapshot of the process used to reconstruct the direction of the suckers［46］

章魚臂曲率非常量，傳統(tǒng)分析多將其曲率分段近似為常量，缺乏準(zhǔn)確性.文獻(xiàn)［49］采用不同于分段近似的方法，利用連續(xù)體幾何精確法建立了仿章魚臂機(jī)械手的運(yùn)動學(xué)模型，利用雅克比方法建立了其逆運(yùn)動學(xué)模型.文獻(xiàn)［50］建立了肌腱驅(qū)動的仿章魚臂連續(xù)體機(jī)械手的精確三維穩(wěn)態(tài)模型，同時推導(dǎo)了描述機(jī)械手變形的常微分方程.該模型對肌腱驅(qū)動進(jìn)行了建模，具有通用性，可以作為一類線驅(qū)型連續(xù)型軟體機(jī)械手的設(shè)計(jì)及仿真工具.目前已有很多文獻(xiàn)分析了單章魚臂運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)模型，但綜合分析章魚臂協(xié)同運(yùn)動的少有報(bào)道.文獻(xiàn)［31］在分析單章魚臂模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，建立了含8只臂的多連續(xù)體模型，并對爬行、游動等多臂協(xié)同運(yùn)動進(jìn)行了仿真分析.

（3）綜合分析，建立軟體機(jī)器人與環(huán)境耦合作用模型

軟體機(jī)器人實(shí)際工作于非結(jié)構(gòu)化環(huán)境，受到來自于環(huán)境對象的反作用力，需要針對具體典型環(huán)境，建立機(jī)器人-環(huán)境耦合作用模型，為后續(xù)控制策略的設(shè)計(jì)提供參考，如文獻(xiàn)［31］中采用彈簧阻尼系統(tǒng)來描述章魚臂吸盤與物體之間的相互作用，如圖10所示.

圖10 吸盤-物體相互作用原理圖［31］Fig.10 Schematic of sucker-object interaction［31］

4.2 軟體機(jī)器人控制方法

傳統(tǒng)的機(jī)器人控制系統(tǒng)框架基于對每個自由度的獨(dú)立反饋控制，而軟體機(jī)器人理論上有無限多自由度，整體結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生彈性形變，外界環(huán)境通過分布式負(fù)載或直接接觸與其相互作用.難以精確測量軟體機(jī)器人形狀和末端位置，因而還沒有適用于軟體機(jī)器人的通用控制理論.目前主流的軟體機(jī)器人中，仿章魚臂軟體機(jī)器人分布式分級控制理論發(fā)展相對成熟，已有一系列突出成果.

研究發(fā)現(xiàn)，八爪章魚完成各種復(fù)雜運(yùn)動的過程中，中樞神經(jīng)系統(tǒng)（central nervous system，CNS）的控制并不占主導(dǎo)作用，分布于各個臂的外圍神經(jīng)系統(tǒng)（peripheral nervous system，PNS）控制才是復(fù)雜運(yùn)動的關(guān)鍵.部分運(yùn)動完全不需要CNS的刺激作用，可在PNS的單獨(dú)控制下實(shí)現(xiàn).Rolf Pfeifer等基于上述結(jié)果提出了“通過與環(huán)境交互來增強(qiáng)性能”的機(jī)器人設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，以及Embodied Intelligence（EI）理論［51-52］.因此，實(shí)現(xiàn)智能控制不僅僅依賴于中樞控制系統(tǒng)，同時也與系統(tǒng)的其他部分息息相關(guān)，復(fù)雜運(yùn)動是機(jī)器人整體與環(huán)境交互作用的結(jié)果.軟體機(jī)器人控制系統(tǒng)復(fù)雜度不一定與機(jī)器人運(yùn)動和操作復(fù)雜度成正比，相反，其控制系統(tǒng)、控制策略可能相對簡單.文獻(xiàn)［53-54］對章魚爬行過程中的感知運(yùn)動控制策略總結(jié)如下：視覺系統(tǒng)將采集的視頻信息（覆蓋360°周圍環(huán)境）進(jìn)行預(yù)處理后發(fā)送至CNS；CNS確定爬行方向并選擇活動臂，將觸發(fā)信號和初值發(fā)送至PNS；PNS收到控制命令選擇性控制各臂對應(yīng)肌肉群的具體運(yùn)動［54］.文獻(xiàn)［55-56］在分級控制基礎(chǔ)上，將更低層次的反射控制加入到控制系統(tǒng)框架中，設(shè)計(jì)的分級、分布式、開環(huán)控制系統(tǒng)計(jì)算復(fù)雜度低、易實(shí)現(xiàn)，如圖11所示.文獻(xiàn)［31］將其控制算法應(yīng)用于章魚臂多連續(xù)體模型，仿真分析結(jié)果表明了該算法的有效性.上述控制系統(tǒng)均屬于開環(huán)控制，控制精度欠缺，未來的工作是引入機(jī)器人本體內(nèi)部和外界環(huán)境反饋組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)軟體機(jī)器人的精確控制.

圖11 開環(huán)控制系統(tǒng)框圖（單臂）［55］Fig.11 Open-loop control block diagram for a single arm［55］

其他形式的軟體機(jī)器人所采用的控制策略取決于所采用的材料、結(jié)構(gòu)和驅(qū)動方式，通?；诤喕能涹w機(jī)器人模型，在實(shí)時高精度控制和計(jì)算代價(jià)之間權(quán)衡.如典型的多步態(tài)軟體四足機(jī)器人，基于Pneu-Net（PN）架構(gòu)［15］，四足和軀干中心各包含一個氣動網(wǎng)絡(luò)裝置，如圖12所示.該機(jī)器人采用具有不同伸展性的雙層材料層疊而成，驅(qū)動層采用Ecoflex材料，可延展性高；應(yīng)變限制層采用Polydimethylsiloxane（PDMS）材料，可伸展性差.外部加壓時，由于延展性不同，驅(qū)動層產(chǎn)生的形變遠(yuǎn)大于應(yīng)變限制層，宏觀上導(dǎo)致材料向應(yīng)變限制層一側(cè)彎曲運(yùn)動.各個氣動網(wǎng)絡(luò)裝置相互獨(dú)立，驅(qū)動層與應(yīng)變限制層中間有間隔分布的連通空腔，通過調(diào)整空腔的方向、大小、數(shù)量來調(diào)整氣動網(wǎng)絡(luò)裝置的運(yùn)動.按照經(jīng)驗(yàn)設(shè)定運(yùn)動步態(tài)，按一定時序控制5個氣動網(wǎng)絡(luò)裝置的加壓時間、壓力大小，即可控制整個機(jī)器人的運(yùn)動.

圖12 氣動網(wǎng)絡(luò)裝置形態(tài)［15］Fig.12 Morphology of PN［15］

為適應(yīng)不同任務(wù)需要，動態(tài)環(huán)境中軟體機(jī)器人在特定形態(tài)下的剛度控制也是一大難點(diǎn).上述氣動軟體機(jī)器人通過控制每個氣動網(wǎng)絡(luò)裝置的壓力可使各足具有一定的剛度.文獻(xiàn)［49］中的仿章魚臂能通過選擇并驅(qū)動合適的對抗性肌腱來調(diào)整彎曲剛度.

5 總結(jié)展望

近年來對軟體動物特別是蠕蟲、毛蟲、章魚臂的研究極大促進(jìn)了軟體機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，包括新型機(jī)器人結(jié)構(gòu)、驅(qū)動技術(shù)、建模方法、控制算法等.但是作為一種全新的機(jī)器人，軟體機(jī)器人的研究才剛剛起步.這種機(jī)器人的研究涉及到材料、化學(xué)、機(jī)械、控制等多學(xué)科，從材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、到控制與感知均存在許多問題需要深入研究.

首先，實(shí)現(xiàn)具有類似軟體動物生物力學(xué)智能特性的機(jī)器人，需要研制新型活性軟質(zhì)材料.制造在不同方向、不同范圍壓力作用下具有不同機(jī)械特性的材料，將會為軟體機(jī)器人的非線性運(yùn)動帶來突破.

其次，缺少一套成熟的軟體機(jī)器人設(shè)計(jì)方法.軟體通常結(jié)構(gòu)異構(gòu)，工作環(huán)境復(fù)雜多變，且其材料具有多場耦合特性.因此，需要在柔性材料的機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)學(xué)、運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)、化學(xué)動力學(xué)等的同步分析的基礎(chǔ)上建立統(tǒng)一模型.從而為解決多場耦合強(qiáng)非線性條件下機(jī)器人結(jié)構(gòu)拓?fù)洹⑦\(yùn)動學(xué)、動力學(xué)參數(shù)的求解與優(yōu)選提供理論基礎(chǔ).

最后，由于軟體機(jī)器人具有無限自由度，而現(xiàn)實(shí)中致動器個數(shù)是有限的，要實(shí)現(xiàn)精確實(shí)時控制是一個十分具有挑戰(zhàn)性的工作.因此，研究軟體機(jī)器人的仿生智能控制算法非常有意義.這需要研究用有限維模型描述軟體機(jī)構(gòu)無窮維分布參數(shù)模型的等效方法，綜合考慮模型復(fù)雜性與系統(tǒng)控制性能，建立基于優(yōu)化方法的等效控制模型.研究分布式神經(jīng)系統(tǒng)控制與經(jīng)典控制方法結(jié)合的算法，實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人形態(tài)與位姿進(jìn)行精確控制.建立柔性機(jī)構(gòu)的性能控制及監(jiān)測方法.

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