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        軟體機(jī)器人研究發(fā)展綜述

        2017-06-19 02:26:26劉璟張益峰王子又
        科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào) 2017年10期
        關(guān)鍵詞:機(jī)理機(jī)器人

        劉璟+張益峰+王子又

        摘 要:軟體機(jī)器人是一類(lèi)新型仿生連續(xù)體機(jī)器人, 可以在一定限度內(nèi)隨意變化形態(tài),在生物工程、救災(zāi)救援、工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療服務(wù)、勘探勘測(cè)等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。其結(jié)構(gòu)模仿生物的流體靜力骨骼結(jié)構(gòu),采用形狀記憶合金、化學(xué)驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)等驅(qū)動(dòng)方式將其他形式能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。但還沒(méi)有可以通用的控制算法適用于所有軟體機(jī)器人,建模仍是一大難點(diǎn)。綜述了軟體機(jī)器人結(jié)構(gòu)機(jī)理、驅(qū)動(dòng)方式等問(wèn)題,并通過(guò)分析和梳理軟體機(jī)器人的發(fā)展歷程,分析了軟體機(jī)器人未來(lái)的發(fā)展方向。

        關(guān)鍵詞:機(jī)器人 建模結(jié)構(gòu) 機(jī)理

        中圖分類(lèi)號(hào):TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1674-098X(2017)04(a)-0118-02

        機(jī)器人已廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域,但傳統(tǒng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)剛性強(qiáng),環(huán)境適應(yīng)性差。為克服在狹窄空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)受到限制的缺點(diǎn),科學(xué)家們從自然界汲取靈感,創(chuàng)造出遠(yuǎn)比那些傳統(tǒng)的金屬制同類(lèi)更加靈活和多功能的軟體機(jī)器人。

        軟體機(jī)器人的設(shè)計(jì)靈感來(lái)自于廣泛存在在自然界中的各種軟體動(dòng)物,因其主要材料為柔軟材料,理論上自由度為無(wú)窮,并可以在一定限度內(nèi)隨意變化形態(tài)。該文介紹了軟體機(jī)器人結(jié)構(gòu)機(jī)理、驅(qū)動(dòng)方式、控制方法及攻克難點(diǎn)等問(wèn)題,并通過(guò)分析和梳理軟體機(jī)器人的發(fā)展歷程,分析了軟體機(jī)器人未來(lái)的發(fā)展方向。

        1 研究現(xiàn)狀

        軟體機(jī)器人是仿生機(jī)器人研究的后續(xù),已引起各國(guó)的高度重視。

        目前典型的軟體機(jī)器人有麻省理工學(xué)院、哈佛大學(xué)所研發(fā)的Meshworm機(jī)器人,可以使用SMA模擬蚯蚓蠕動(dòng)并能抵抗強(qiáng)的沖擊[1];意大利LASCHI等正在研制的仿生章魚(yú);康奈爾大學(xué)的集可發(fā)光人造皮膚與充氣結(jié)構(gòu)為一體的軟體機(jī)器人;弗吉尼亞大學(xué)研發(fā)的仿生蝠鲼機(jī)器魚(yú)通過(guò)離子交換聚合金屬材料驅(qū)動(dòng),具有切換不同運(yùn)動(dòng)模式的能力。

        2 結(jié)構(gòu)機(jī)理

        2.1 蠕蟲(chóng)

        蠕蟲(chóng)并不具有剛性骨骼,它的身體主要部分是表皮、肌肉、體液和神經(jīng)系統(tǒng)。蠕蟲(chóng)并不通過(guò)骨骼傳遞力,而是通過(guò)封閉流體產(chǎn)生靜壓力,它的軀體屬于流體靜力骨骼結(jié)構(gòu)。以蚯蚓為例,全身體積的40%為肌肉,它的肌肉屬于斜紋肌,由斜紋肉構(gòu)成封閉腔,內(nèi)部充滿體液。而體液限制了體積的變化,所以當(dāng)肌肉收縮時(shí),會(huì)在另一方向上有相應(yīng)的長(zhǎng)度變化,與腸蠕動(dòng)過(guò)程類(lèi)似??v肌和環(huán)肌通過(guò)收縮改變直徑的大小,由此蠕蟲(chóng)在每個(gè)體節(jié)間運(yùn)動(dòng)肌肉,借由行進(jìn)波來(lái)完成身體的變形和移動(dòng)。

        2.2 頭足類(lèi)動(dòng)物

        頭足類(lèi)動(dòng)物(如章魚(yú)、魷魚(yú)、墨魚(yú)等)具有進(jìn)行高難度的柔性運(yùn)動(dòng)的能力。在一定范圍內(nèi),每只觸手都可以隨意彎曲,配合空間改變身體長(zhǎng)度[2]。章魚(yú)觸手是肌肉性靜水骨骼結(jié)構(gòu),橫向和軸向肌肉分別控制觸手的伸長(zhǎng)和縮短,在行動(dòng)過(guò)程中由沿觸手分布的神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行指令的傳達(dá),中樞神經(jīng)系統(tǒng)并非主要控制系統(tǒng),由此可知,身體與環(huán)境之間的信息反饋交互會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)的自主運(yùn)動(dòng)。歐洲的項(xiàng)目進(jìn)行了仿真章魚(yú)的相關(guān)研究,由LASCHI負(fù)責(zé)組織協(xié)調(diào)[2]。

        3 驅(qū)動(dòng)方式

        3.1 形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)

        形狀記憶合金(SMA),其特點(diǎn)是溫度達(dá)到一定臨界值時(shí)可以使其在較低溫時(shí)產(chǎn)生的形變消失。作為一種智能合金材料和柔性驅(qū)動(dòng)器材料,也可應(yīng)用于智能材料驅(qū)動(dòng)器中,但仍需考慮怎樣將其完美嵌入基礎(chǔ)材料的基底。但是形狀記憶合金絲產(chǎn)生的應(yīng)力受溫度變化影響較大,它的熱力耦合行為源于材料本身的相變。除了溫度因素,形狀記憶合金中馬氏體的相變也可以正相關(guān)地由應(yīng)力引起。形狀記憶合金致動(dòng)器一般為絲狀或薄片狀,為增加驅(qū)動(dòng)范圍,可將其變?yōu)槁菪Y(jié)構(gòu)。

        麻省理工學(xué)院首先開(kāi)發(fā)出Meshworm[1],一種仿生蚯蚓機(jī)器人,之后研究者開(kāi)始普遍采用其作為驅(qū)動(dòng)器。Tufts大學(xué)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的仿生毛蟲(chóng)機(jī)器人GoQBot也由SMA驅(qū)動(dòng),研究者使用表面微加工技術(shù),在6 μm厚的聚酰亞胺基底上嵌入SMA絲。

        3.2 化學(xué)驅(qū)動(dòng)

        化學(xué)驅(qū)動(dòng)是化學(xué)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人名字的由來(lái),化學(xué)反應(yīng)是其本質(zhì),使機(jī)器人完成動(dòng)作的機(jī)械能來(lái)源于化學(xué)能。

        其中一種化學(xué)能驅(qū)動(dòng)的形式是用特殊材料(一般是凝膠)制成軟體機(jī)器人,水凝膠是一種智能驅(qū)動(dòng)材料,在柔性機(jī)器人中被大量應(yīng)用。通過(guò)物理或化學(xué)作用交聯(lián)形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),親水性的功能高分子可以吸水溶脹,從而產(chǎn)生水凝膠,其形變是隨著外部環(huán)境的改變而變化的。早稻田大學(xué)NAKAMARU實(shí)驗(yàn)室研制了一種仿生尺蠖[3],其特點(diǎn)是具有蠕蟲(chóng)的運(yùn)動(dòng)模式,原理是將由凝膠制成的弧形帶狀結(jié)構(gòu)置于混合溶液中,基于化學(xué)反應(yīng)凝膠產(chǎn)生伸縮變化,自震動(dòng)使其運(yùn)動(dòng)。

        3.3 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)

        氣動(dòng)軟體機(jī)器人是指通過(guò)在結(jié)構(gòu)中充氣,利用氣壓使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形或者運(yùn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)的一類(lèi)軟體機(jī)器人。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)技術(shù)成熟,反應(yīng)速度較快,功率密度高,但一般驅(qū)動(dòng)設(shè)備體積大,受輔助系統(tǒng)的限制。

        哈佛大學(xué)研制的章魚(yú)形柔性機(jī)器人Octobot由氣動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)。氣動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)作依賴(lài)于內(nèi)嵌的可充氣隔間的擴(kuò)張,相當(dāng)于致動(dòng)器。這些致動(dòng)器被集成到一個(gè)由液體燃料(液體過(guò)氧化氫)供能的流體氣動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。該燃料通過(guò)含有鉑催化劑的反應(yīng)室,催化劑會(huì)使過(guò)氧化氫分解,產(chǎn)生氧氣使致動(dòng)器膨脹,從而使機(jī)器人的手臂發(fā)生運(yùn)動(dòng)。Okayama研究室研發(fā)了氣動(dòng)軟體機(jī)器魚(yú)。該機(jī)器魚(yú)的頭部安裝了一塊電子控制模板,腹部安裝了一個(gè)二氧化碳儲(chǔ)存罐,機(jī)器魚(yú)體內(nèi)則有兩根配置了吸入二氧化碳的噴嘴的充氣管,充氣管的氣體進(jìn)出可以控制魚(yú)的方向,而噴嘴則用來(lái)控制魚(yú)的游行速度。

        4 結(jié)語(yǔ)

        如今機(jī)器人發(fā)展的特點(diǎn)可概括為:橫向上,應(yīng)用面越來(lái)越寬??v向上,機(jī)器人的種類(lèi)會(huì)越來(lái)越多。而軟體機(jī)器人研究雖只是一種簡(jiǎn)單的概念,但是有成為人類(lèi)得力工具的潛力。

        盡管軟體機(jī)器人的研究尚處于起步階段,仍是一種新的研究方向,跨學(xué)科的研究還存在著一系列問(wèn)題。但未來(lái)軟體機(jī)器人勢(shì)必將綜合更多先進(jìn)技術(shù),實(shí)現(xiàn)高柔軟性、多功能化、高親和度等性能特點(diǎn),探發(fā)其在更多領(lǐng)域應(yīng)用的潛能。

        參考文獻(xiàn)

        [1] Seok S,Onal CD,Cho K,et al.Meshworm: a peristaltic soft robot with antagonistic nickel titanium coil actuators[J].Mechatronics,2012,18(5):1485-1497.

        [2] Kang R,Branson DT,Guglielmino E,et al. Dynamic modeling and control of an octopus inspired multiple continuum arm robot[J]. Computers and Mathematics with Applications, 2012,64(5):1004-1016.

        [3] Nakamaru S,Maeda S,Hara Y,et al.Development of novel self-oscillating gel actuator for achievement of chemical robot[A].IROS 2009. IEEE/RSJ International Conference[C].2009.

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